DE2617548A1

DE2617548A1 - Laser-isotopentrennung

Info

Publication number: DE2617548A1
Application number: DE19762617548
Authority: DE
Inventors: Iii Jack Paxton Aldridge; Reed Jerry Jensen; John Leslie Lyman; Staff Members; Charles Paul Robinson; Stephen Dell Rockwood
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1975-04-22
Filing date: 1976-04-22
Publication date: 1976-11-04
Also published as: AU506593B2; AU1315976A; US4049515A; CA1060840A; JPS5236293A; GB1503401A; FR2308403A1; FR2308403B1

Description

United States Energy Research And Development Administration/ Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Laser-Isotopentrennung

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Laser-Isotopentrennung durch Mehrfachphotonenabsorption, und zwar insbesondere auf Verfahren zur Isotopenanreicherung, wobei ein spezielles Isotop enthaltende molekulare Spezies selektiv durch infrarotes Laserlicht hinreichend derart erregt werden, daß sie chemische Reaktionen ausführen, während die nicht erregten Moleküle der Spezies keine solche Reaktionen ausführen.

Auf dem Gebiet der Lasertechnik ist es bekannt, selektiv chemische Reaktionen einzuleiten, die effektiv die Isotopentrennung oder Anreicherung zur Folge haben. Vgl. beispielsweise N.V. Karlov in "Laser Induced Chemical Reactions", Applied Optics, Band 13, Seite 301 (1974). Vorzugsweise erfolgt eine zweistufige Bestrahlung durch zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen. Der erste normalerweise als ein Infrarotlaser angegebener Laser wird zur selektiven Erre-

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gung derjenigen Moleküle einer Verbindung verwendet, die ein spezielles Isotop eines Elements enthält. Der zweite üblicherweise als Ultraviolett-Laser bezeichnete Laser wird benutzt, um diese Moleküle weiter zu erregen, und zwar in einer zur Durchführung einer chemischen Reaktion ausreichenden Weise. In der Praxis ist es schwierig, den zweiten Laser in seiner Wirkung ebenso selektiv zu machen, wie dies beim ersten Laser der Fall ist, so daß er die Tendenz besitzt, sämtliche Moleküle der das interessierende Element enthaltenden Verbindung zu erregen. Demgemäß ergibt sich für die Isotopentrennung oder -anreicherung eine recht schwierige Einschränkung hinsichtlich dieses zweiten Lasers, der eine solche Wellenlänge aufweisen soll, daß die kombinierte Erregung erzeugt durch diesen Laser und den ersten Laser ausreicht, um die chemische Reaktion einzuleiten, wobei aber' die durch den zweiten Laser allein erzeugte Erregung nicht ausreicht, um die chemische Reaktion einzuleiten. Bislang hat der Stand der Technik nicht gelehrt, daß der erste Infrarotlaser, .selbst wenn er hinreichend intensiv ist, eine größere Freiheit der Auswahl der Photonenenergie des zweiten Lasers gestattet, als die die Photonenenergie des Infrarotlasers. Der Stand der Technik hat auf alle Fälle nicht gelehrt, daß dann, wenn der Infrarotlaser eine hinreichende Leistung besitzt, er ohne weiteres jedes Erfordernis für den zweiten Laser überhaupt eliminieren kann.

Es ist bekannt, daß durch Verwendung der Einzel-Photonenabsorption, die zur Photodissoziation führt, eine selektive oder bevorzugte lasereingeleitete chemische Reaktion erreicht werden kann, die für die Isotopentrennung oder -anreicherung verwendbar ist. Der Stand der Technik lehrt, daß für dieses Einzel-Photonenverfahren im sichtbaren oder ultravioletten Bereich arbeitende Laser erforderlich sind. Ein Hauptnachteil der Verwendung von sichtbaren oder UV-Lasern im Einzelphotonenoder Zweistufen-Verfahren besteht darin, daß die Querschnitte für direkte Einzelphotonenabsorption von Licht in diesen Bereichen des Spektrums recht klein sind. Darüber hinaus ist es recht schwierig, in diesen Bereichen des Spektrums einen Laserbetrieb mit hoher Leistung und einem nennenswerten Wirkungsgrad durchzuführen.

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Die Erfindung vermeidet oder überwindet im wesentlichen die Nachteile der bekannten Laser-Isotopentrennverfahren. Ganz allgemein sieht die Erfindung ein Verfahren vor, um mit . einem speziellen Isotop eines Elements angereicherte elementare Werte zu erhalten, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: Man sieht ein Strömungsmittel vor, welches eine erste molekulare Spezies (Molekülart oder Molekülspezies) aufweist und zwei oder mehrere Isotope des Elements enthält; diese erste molekulare Spezies besitzt in der Gegenwart eines hinreichend intensiven Laserlichts eine Dichte von Schwingungsniveaus, die ausreicht, um eine mehrfache Photonenabsorption auf höhere Schwingungsniveaus von einem ersten unteren Schwingungsniveau aus zu gestatten, und zwar durch Absorption der gleichen Energie, die die erste molekulare Spezies auf dieses erste untere Schwingungsniveau erregen kann; dieses Strömungsmittel wird mit infrarotem Laserlicht mit einer Frequenz erregt, die selektiv auf ein erstes unteres Schwingungsniveau nur diejenigen Moleküle dieser ersten molekularen Spezies erregt, welche ein spezielles Isotop des Elements enthalten; dieses infrarote Laserlicht besitzt eine Intensität, die ausreicht, um eine Mehrfachphotonenabsorption vom ersten unteren Schwingungsniveau zu einer Vielzahl von höheren Schwingungsniveaus zu erzeugen; die sich ergebende mehrfache Photonenabsorption erzeugt einen hinreichend energiereichen Schwingungszustand in denjenigen Molekülen, welche das spezielle Isotop enthalten, so daß sie eine chemische Reaktion durchführen; alternativ erzeugt die sich ergebende Mehrfachphotonenabsorption einen hinreichenden Energieschwingungszustand in denjenigen Molekülen, die das spezielle Isotop enthalten, so daß bei Bestrahlung durch Laserlicht einer zweiten Frequenz diese Moleküle eine chemische Reaktion durchführen; zur Isotopentrennung werden die Produkte dieser chemischen Reaktion dann von den nicht reagierten Molekülen der ersten molekularen Spezies getrennt.

Das Strömungsmittel kann entweder flüssig oder gasförmig sein, ist aber vorzugsweise ein Gas. Die erste molekulare Spezies kann zweiatomig oder mehratomig aufgebaut sein, ist vorzugs-

H09 8 4 5 /Ό77 3

weise aber mehratomig mit vier oder mehr Atomen. Die chemische Reaktion kann entweder die Reaktion der höher erfegten Moleküle der ersten Molekülart mit einer zweiten Molekülart sein oder die Dissoziation der erregten Moleküle der ersten Molekülart oder die Reaktion von mindestens einem der Dissoziationsprodukte der erregten ersten Molekülart mit einer zweiten Molekülart. Die zweite Molekülart (molekulare Spezies) kann mit der ersten Molekülart gemischt und die Mischung bestrahlt werden. In diesem Falle absorbiert die zweite Molekülart das Laserlicht nicht stark und reagiert im wesentlichen mit der nicht erregten ersten Molekülart nicht, ist aber außerordentlich reaktionsfreudig mit entweder den stark erregten Molekülen der ersten Molekülart oder mit mindestens einem der Dissoziationsprodukte der erregten Moleküle der ersten Molekülart.

Gemäß dem erfindungsgemaßen Verfahren wird BC1_ stark hin-

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sichtlich B angereichert und zwar durch Bestrahlung der Mitschung von natürlichem BCl₃ und Wasserstoffgas mit einem intenstiven Strahl aus gepulstem CO„-Laserlicht. In ähnlicher

34 Weise wird SF_g stark hinsichtlich S angereichert, und zwar

durch Bestrahlung einer Mischung aus natürlichem SF_t und Was-

serstoffgas mit einem intensiven Strahl aus gepulsten CO₃-Laserlicht.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 · eine schematische Darstellung der selektiven Einzelphotonen-Photodissoziation ;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweistufigen Verfahrens zur Erzeugung einer selektiven chemischen Reaktion ;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Mehrfach-

photonenabsorption, die gemäß der Erfindung eine selektive chemische Reaktion zur Folge hat;

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Fig. 4 eine schematische Darstellung eines zweistufigen Verfahrens zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen selektiven chemischen Reaktion;

Fig. 5 das Infrarotabsorptionsspektrum von SF _g bei 300 K sowie entsprechende CO»-Linien;

34 Fig. 6 den Anreicherungsfaktor ß für S als Funktion

der Anzahl der CO P(20)-Laserstrahlungsereignisse, wobei der Gasdruck als Parameter verwendet ist;

34 Fig. 7 den Anreicherungsfaktor ß für S nach

200 Impulsschüssen der CO» P(20)-Bestrahlung aufgetragen als eine Funktion des Reziprokwertes des Gesamtgasdruckes p;

Fig. 8 die Infrarotabsorptionsspektra von BCl- bei 300° K und die entsprechenden C0₂-Linien.

Im folgenden sei die Laserisotopentrennung beschrieben. Für jedes Molekül gibt es einen minimalen Energiezustand, den Grundzustand. Oberhalb dieses Grundzustands liegen zusätzliche dis- . krete Energiezustände oder Niveaus. Ein Molekül im Grundzustand oder erregt auf einen speziellen Energiezustand kann auf einen höheren Energiezustand oder ein höheres Energieniveau erregt werden, und zwar durch Strahlungsabsorption der richtigen Frequenz. Diese Änderung des Energiezustands oder Niveaus wird ein übergang genannt. Die Wahrscheinlichkeit irgendeines auftretenden Übergangs ist genau durch die Einstein'sehe Gleichung gegeben:

ρ = BI ( v> ) see"¹,

dabei ist ρ die Übergangswahrscheinlichkeit, B der Einstein'sehe Koeffizient und I ( v> ) ist die Strahlungsintensität. Gemäß der Quantentheorie zeigen die Molekularspektra, daß die Energiezustände eines Moleküls Folgendem entsprechen: a) Unterschiedlichen Elektronenbahnen, b) unterschiedlichen Kernabständen und Kräften, c) Rotationen einiger Elemente des Moleküls bezüglich anderer Elemente des Moleküls oder d) speziellen Kombina-

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tionen dieser Größen. Das optische Spektrum der Energie, die absorbiert wird, wenn das Molekül aus einem Energiezustand in einen anderen erregt wird, kann somit aus Folgendem bestehen: a) einem Schwingungsspektrum, b) einem Rotationsspektrum oder c) einem zusammengesetzten Spektrum, d.h. einem Schwingungs-Rotations-Spektrum oder einem Schwingungs-Elektronenspektrum. Die Kombination von Energiezuständen wird häufig als Sammelzustand (Manifold) bezeichnet. Beispielsweise ergibt sich somit das SchwingungsSpektrum aus dem Schwingungssammelzustand.

Bei einem mehratomigen Molekül ist ein reines Elektronenabsorptionsspektrum nicht möglich. Der Grund dafür besteht darin, daß für einen gegebenen Elektronenzustand ein mehratomiges Molekül ein spezielles Schwingungsniveau einnehmen muß. Jedes der möglichen Niveaus kann als ein Schwingungs'-Elektronenzustand oder ein Vibronic-Zustand bezeichnet werden. Übergänge von einem Vibronic-Zustand zu einem höheren Vibronic-Zustand ergeben ein zusammengesetztes Schwingungs-Elektronenabsorptionsspektrum. Bei unterschiedliche Isotopen enthaltenden Molekülen unterscheiden sich die klassischen Schwingungsfrequenzen gemäß

dabei ist \? die Schwingungs frequenz und u ist die reduzierte Masse des Moleküls. Die reduzierte Isotopenmassendifferenz Δ/— ist nicht Null nur dann, wenn die Isotopenatome sich während der Schwingung in Bewegung befinden. Die resultierende Frequenzdifferenz Δ v> wird Isotopenverschiebung genannt. Die Isotopenverschiebung bewirkt, daß das Absorptionsspektrum der eine Isotopenart eines Elements enthaltenden Moleküle etwas gegenüber dem Absorptionsspektrum der Moleküle verschoben wird, die eine andere Isotopenart dieses Elements enthalten. Aufgrund quantenmechanischer Argumente kann man ohne weiteres zeigen, daß eine ähnliche Isotopenverschiebung der Frequenz bei den Vibronic-Übergängen auftritt. Wenn die Verschiebung im Absorptionsspektrum von solcher Art ist, daß enge nicht überlappende

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Absorptionslinien für unterschiedliche Isotopenarten enthaltende Moleküle existieren, dann wird Licht der richtigen Frequenz nur durch eine spezielle Isotopenart enthaltende Moleküle absorbiert und nur diese werden angeregt.

Die Laserisotopentrennung ist möglich, weil die Frequenzreinheit des Laserlichtes ausreicht, um resonanzmäßig von einer Isotopenart absorbiert zu werden, ohne daß andere nicht in Resonanz befindliche Isotope beeinflußt werden. Das heißt also, daß die Laserlinien hinreichend eng liegen, um die Absorption durch einen optischen Absorptionszustand von nur einem Isotop zu bewirken. Diese Absorption durch nur ein Isotop wird als selektive Anregung bezeichnet.

Der Stand der Technik - vgl. Fig. 1 und 2 - lehrt, daß diese selektive Anregung entweder in einem einstufigen oder in einem zweistufigen Verfahren zur Isotopentrennung durch eine lasereingeleitete chemische Reaktion verwendet werden kann. Bei dem in Fig. 1 gezeigten einstufigen Verfahren ist ein einziges Photon von einem im ultravioletten oder sichtbaren Bereich arbeitenden Laser hinreichend energiereich, um die Photodissoziation in irgendeinem Molekül, welches es selektiv anregt, zu erzeugen. Beim zweistufigen Verfahren gemäß Fig. 2 werden ein spezielles Isotop enthaltende Moleküle durch Laserlicht einer ersten Frequenz selektiv angeregt und Laserlicht einer zweiten Frequenz erteilt den durch das Licht der ersten Frequenz angeregten Molekülen eine ausreichende zusätzliche Anregung, die genügt, um zu bewirken, daß nur diese Moleküle eine chemische Reaktion erfahren. Obwohl in den Fig. 1 und 2 nur die Schwxngungsanregung dargestellt ist, gelten doch die gleichen Betrachtungen auch dort, wo es sich un Elektronenzustände handelt.

Es sei nunmehr auf die Mehrfachphotonenabsorption eingegangen. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Entdeckung, daß infrarote Laserstrahlung hinreichender Intensität mit einer

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Frequenz, die selektiv nur die ein spezielles Isotop enthaltenden Moleküle anregt/ ohne weiteres eine Mehrfachphotonenabsorption in Molekülen erzeugen kann, die eine hinreichende Dichte von Schwingungsniveaus oder Zuständen aufweisen. Gemäß der Erfindung kann die Mehrfachphotonenabsorption verwendet werden, um Folgendes zu erzeugen: a) Einen angeregten Schwingungszustand in den angeregten Molekülen, bei welchem eine chemische Reaktion wie in Fig. 3 gezeigt auftritt oder b) einen angeregten Schwingungszustand, bei welchem eine vorteilhaftere Frequenz eines zweiten Lasers verwendet werden kann, um selektiv eine chemische Reaktion entsprechend dem zweistufigen Verfahren zu erzeugen, wie dies in Fig. 4 , gezeigt ist. Der Ausdruck "chemische Reaktion" bedeutet entweder die Dissoziation der stark angeregten Moleküle oder die Reaktion mit einer anderen chemischen Spezies oder Art.

Die Mehrfachphotonenabsorption hat einen Endzustand des Systems zur Folge, der mehr Energie besitzt als diejenige eines einzigen einfallenden Photons. Der Ausdruck "Mehrfachphotonenabsorption" bezeichnet sowohl die sequentielle Absorption von η-Photonen, wo das System durch tatsächliche Zwischenschritte verläuft, und n-Photonenverfahren, wo η-Photonen gleichzeitig absorbiert werden und das System nur durch virtuelle Zwischenstufen läuft.

Im Schwingungssammelzustand (Manifold) ändert sich der Abstand zwischen Schwingungsniveaus beim Übergang zu höheren Schwingungsniveaus. Obwohl ins Auge gefaßt wurde, daß die isotopenmäßig selektive Anregung ohne weiteres möglich ist zwischen dem Grundzustand und einem unteren Schwingungszustand durch Absorption eines Infrarotphotons der richtigen Energie, wurde bislang die Möglichkeit zusätzlicher Absorptionen von Photonen dieser gleichen Energie nicht in Betracht gezogen, wodurch der Transport des Moleküls hinauf zum Sammelzustand (Manifold) erfolgt, und zwar für die chemische Reaktion. Der Grund dafür besteht darin, daß man der

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Ansicht war, daß die Änderung des Abstands in den Schwingungsniveaus zu wenig Wahrscheinlichkeit aufwies, daß Übergänge zu höheren angeregten Zuständen mit der Energie dieser Photonen zusammenpassen würde, die in der Lage sind, den anfänglichen Übergang vom Grundzustand zu erzeugen.

Der genaue Mechanismus, durch welchen die Mehrfachphotonenabsorption erfolgt, ist kompliziert und nicht vollständig geklärt. Es ist jedoch bekannt, daß infolge von anharmonischen Effekten und der erhöhten Anzahl von Atomen in mehratomigen Molekülen die Dichte der Schwingungszustände stark vergrößert ist, so daß die Wahrscheinlichkeit des Zusammenpassens der Infrarotphotonenenergie mit Übergängen zwischen angeregten Zuständen stark erhöht wird. Wenn zudem die Infrarotlaserstrahlung hinreichend intensiv ist, d.h. eine hinreichend hohe Leistungsdichte aufweist, so dient das mit dieser Leistungsdichte verbundene elektrische Feld zur weiteren Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des übereinstimmens oder Zusammenpassens von Übergängen zwischen den erregten Zuständen durch das Verfahren der optischen Frequenz-Stark-Verbreiterung. Eine weitere Erhöhung der Mehrfachphotonenabsorption erfolgt durch den Mechanismus von resonanzmäßig verstärkten Multiphotonenübergängen, bei denen keine feststellbare Lebensdauer des Moleküls in den Zwischenzuständen feststellbar ist. Schließlich werden die Ausfall- oder Selektions-Regeln für Mehrfachquantenabsorptionen bei höheren Schwingungsenergien in einigen Molekülen relaxiert.

Zur Minimierung der Zusammenstoß-Rühreffekte ist es wesentlich, daß die bestrahlte Molekülart sich in einem verdünnten Strömungsmittel befindet. Dieses Strömungsmittel kann prinzipiell eine Flüssigkeit der Molekülart oder einer Lösung der Molekülart in einem geeigneten Lösungsmittel sein; vorzugsweise ist die Molekülart jedoch in einem Gas vorhanden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Mehrfachphotonenabsorption der Infrarotphotonen einen Anregungszustand zur Folge, in welchem die selektiv angeregten Moleküle

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eine chemische Reaktion mit einer zweiten chemischen Spezies eingehen, welche in der Mischung mit diesen Molekülen vorhanden ist. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel hat die Mehrfachphotonenabsorption eine Dissoziation der selektiv angeregten Moleküle zur Folge. In einem dritten Ausführungsbeispiel ergibt die Mehrfachphotonenabsorption die Dissoziation der selektiv angeregten Moleküle, wobei mindestens eines der Dissoziationsprodukte eine schnelle chemische Reaktion mit einer zweiten chemischen Spezies erfährt, die in dem bestrahlten Strömungsmittel vorhanden ist. Man erkennt, daß dann, wenn eine zweite chemische Spezies mit der ersten Molekülspezies (Molekülart) gemischt ist zum Zwecke des Reagierens mit entweder hochangeregten Molekülen oder Dissoziationsprodukten der ersten Molekülart, die zweite chemische Spezies die infrarote Laserstrahlung nicht in irgendeinem substantiellen Ausmaß absorbieren darf und im wesentlichen inert gegenüber nicht angeregten Molekülen der ersten Molekülart sein muß, wobei die zweite chemische Spezies ferner außerordentlich reaktionsfreudig mit stark angeregten Molekülen der ersten Molekülart oder mindestens einem der Dissoziationsprodukte dieser Art sein muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit irgendeinem Infrarotlaser von hinreichender Leistung durchgeführt werden, der eine Frequenz aufweist, welche die selektive Anregung einer Molekülart gestattet, welche ein spezielles Isotop enthält, das bearbeitet werden soll. Der C0₂-Laser ist besonders gut zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet, da es C0_-Linien gibt, die mit den Spektralmerkmalen der flüchtigen Halogenide vieler Elemente zusammenfallen. Beispiele derartiger Halogenide sind SFg, SiF₄, CH₃F, BCl-, NF₃ und CF Cl,. Weil Wasserstoff schnell mit atomaren Halogenen reagiert, ist die CO -Laserbestrahlung von Mischungen derartiger flüchtiger Halogenide mit Wasserstoff ein besonders vorteilhafter Weg zur Erzeugung selektiver chemischer Reaktion im erfindungsgemäßen Verfahren.

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Es sei nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Beispiel I

Mischungen von SF, und EL mit einem konstanten SF_g Mol-Anteil von 0,1 wurden mit fokussierter CO₂-Laserstrahlung bestrahlt. Der CO^-Laser war von üblicher Doppelentladungs-Bauart und liefert eine Mehrfachmodenausgangsgroße von 1 bis 2 Joules in einem 200 ns verstärkungsgeschalteten Impuls. Die Strahlung war mit f/1,5 Ge und BaF _ Linsen in Probenzellen fokussiert, die die SF₁./HL-Mischung bei geänderten Gesamtdrücken von 1 bis 10 Torr enthielten. Die Laserspitzenleistung am

9 · 2

Brennpunkt wurde mit & 6 χ 10 Watt/ cm geschätzt. Die Probenzellen waren Messingkreiszylinder von 7,62 cm Länge mit einem Innendurchmesser von 2,54 cm, ausgestattet mit KCl-Fenstern, was ein Gesamtgasvolumen von 36,6 ecm ergab. Die Probenzellanlänge und die f-Zahl der Linse wurden durch die Beschädigungsschwelle der KCl-Fenster diktiert.

Nach der Bestrahlung durch eine bestimmte Anzahl von Laserimpulsen wurde das verbleibende SF_ analysiert, und zwar durch

Abtasten der Massenspitzen 127 und 129 mit einem Quadrupel-Mas-

32 34

senspektrometer. Diese Massen entsprechen den S und S Isotopen im Dominant-Ion SF₅, erzeugt im Massenspektrometer. Die Analyse des Spektrums wird durch die Anwesenheit von nur einem stabilen F-Isotop vereinfacht und eine Trennung der beiden Masseneinheiten zwischen den gewünschten Spitzen, auf welche Weise eine mögliche Verwirrung infolge der H-Atomanhaftung an den interessierenden Ionen eliminiert wird. Untersuchungen an nicht unterbrochenen SF /H₃-MiSchungen ergaben ein normales Verhältnis von ³⁴S/³²S = R_Q = 0,044 - 0,002.

Die Tabelle I gibt den Anreicherungsfaktor ß = R/R des nicht reagierten SF^ als Funktion der Anzahl der Bestrahlungsvorgänge,

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des Gasdrucks, des reagierten Anteils und der Laserwellenlänge

34 32 an. Die Menge R ist als das gemessene S/ S-Verhältnis nach der Bestrahlung definiert. Die Fig. 5 zeigt das Infrarotabsorptionsspektrum von SF₆ bei 300 K und die Lage verschiedener CO -Laserlinien relativ zu diesem Spektrum. In Fig. 5 ist die ausgezogene Kurve die Voraussage eines Bandformmodells unter Verwendung eines 0,5 cm -Spektralfensters; die gestrichelte Kurve ist das Spektrum einer SF,.-AR-Mischung (X(SF,) = 0,005), erhalten an einem Beckman IR-20AX-Spektrometer mit einem

_1
0,8 cm -Spektralfenster; die ausgezogenen Kreise zeigen mit dem CO- -Laser erhaltene Spektralergebnisse. Der Grund für die Auswahl der verschiedenen C0~-Linien basiert auf einer kürzlichen Überprüfung der Temperaturabhängxgkeit der Absorption von CO -Laserlinien durch SF-. Diese Arbeit ergab, daß die

Δ U

P(20)-und P(32)-Linien in erster Linie in heissen Banden absorbiert werden und sie sollten demgemäß die Schwingungsenergie der Absorptionsmoleküle stark erhöhen. Andererseits zeigt die eine sehr hohe Auflösung verwendende Spektroskopie von gekühltem SF,,, daß die P (16)-Linie mit dem Grundzustand v>

D j

Q-Zweig zusammenfällt. Somit fällt sie in eine Zone, wo die Dichte der Zustände sehr hoch ist. Es bestand das Gefühl, daß die Veränderungen von ß unter den ausgewählten Linien ein Anzeichen für den Anreicherungsmechanismus sein könnte. Aus den Ergebnissen in Tabelle I ergibt sich jedoch, daß die Änderung der Wellenlänge nicht groß ist und einfach das Ergebnis von Linie zu Linie Veränderungen in der Laserausgangsgröße sein kann.

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TABELLE I

P (16)-Linie

a)

P (20)-Linie

CO- P (32)-Linie

Reagiertes,

Druck impuls- SF b) (Torr)_schüsse

Druck Impuls- Reagier-(Torr) schüsse tes SF.

im™ χ
uorr;

Impuls- Reagierschüsse tes SF,. '

5 2400 2 4800 1 S 2400

4800

72

45 98

0.09	2.0	10	2000	50	0.062	1.44	5	1600	85 0.071 1	.58
0.18	4.0	5	2000	73	0.078	1.73	5	4800	86 0.095 2	.11
0,056	1.24	5	3200	71	0.082	1.82			ι
0.84	18.7	5	4800	*mm mm*	0.21	4.7			OO
		2	1600	72	0.097	2.2			I
		2	1600 ^d)	0	0.045	1.00
		1	2000	97	0.54	12.0
		1	5000	99.	7 1.50	33.3

a) Wenn nicht anders bemerkt, war die LaserSpitzenleistung 6 GW/cm

b) Fehlerbereiche bei dieser Menge sind groß. Annähernd 30 % des nicht reagierten Anteils

c) Die Spitzenleistung für diese Impulse war nur 0,5 GW/cm

d) Die Spitzenleistung für diese Impulse war nur 5 MW/cm

Fig. 6 zeigt ß als Funktion der Laserimpulse, wobei der Gasdruck den Parameter bildet. Für ß ergibt sich ein nahezu linearer Anstieg mit der Anzahl der Laserimpulse. Zudem ist der Anteilsanstieg in ß pro Strahlungsereignis annähernd gleich dem Verhältnis von Fokalvolumen zu Gesamtzellenvolumen.

Die größte Verbesserung der Anreicherung wird durch Verminderung des Gesamtgasdruckes erreicht, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Dieser Effekt ist teilweise auf das größere Ausmaß der Reaktion bei niedrigem Druck (vgl. Tabelle I) zurückzuführen. Es zeigt ebenfalls einen Kollisionsprozess (am wahrscheinlichsten V-V Übergang in SF_g) an, der as Störzusammentreffen der isotopenmäßig selektiven Anregen einleitet. Phänomenologisch beobachtet man, daß ß proportional zu exp(1/p) ist. Das Störzusammentreffen kann auch durch chemische Reaktionen von hochangeregtem SF. eingeleitet werden, und zwar erzeugt gerade

außerhalb der Zone, wo die Leistung die Mehrfachphotonenabsorptionsschwelle übersteigt.

In diesem Beispiel erzeugt das erfindungsgemäße Verfahren einen

34 32

Anstiegsfaktor von höher als 33 im Verhältnis von S/ S im SF , das in der Gegenwart von H₂ durch einen intensiv fokussierten CO₀-Laser bestrahlt wurde. Der Anreicherungsmechanismus

32

scheint die Mehrfachphotonen-Dissoziation von SF,. zu sein,

wobei das freigesetzte F durch H₂ zur Bildung von HF eingefangen wird.

Aus den Daten in Tabelle I scheint die zur Anreicherungser-

2 zeugung erforderliche Schwellenleistung größer als 5 MW/cm

zu sein. Eine Spitzenleistung von 200 MW/cm erzeugt eine

gewisse Anreicherung, ist aber nicht nahezu so wirkungsvoll,

2
wie die 6 GW/cm -Impulse.

Beispiel II

Es wurden Mischungen aus natürlichem BCl₃ und Wasserstoff bestrahlt, und zwar mit fokussierter CO -Laserstrahlung von einem

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CO^-Laser, der auf der P(20)-Linie arbeitet, und zwar unter Verwendung des gleichen Aufbaus wie er im Beispiel I für die SF -Bestrahlung beschrieben wurde. Bei einigen Bestrah-

lungen bestand die Mischung aus 20 % BCl- und bei anderen aus 40 % BC1_, wobei der Rest Wasserstoff war. Natürliches

11 in

BCl-, enthält 80 % ¹B und 20 % B. Es enthält ebenfalls

35 37

75 % Cl und 25 % Cl. Die massenspektrometrische Analyse von natürlichem BC1_ zeigt die folgenden Massenspitzen entsprechend dem angegebenen Isotopen-Verhältnis.

Massenspitze Isotopenart

^{115 1}V⁵Cl₃

116 . ¹¹B³⁵Cl₃

117 . ¹⁰B³⁵Cl₂ ³⁷Cl

118 ¹¹B³⁵Cl₂ ³⁷⁰¹

119 ■ ¹⁰B³⁷Cl₂ ³⁵C₁

120 ¹¹B³⁷Cl₂ ³⁵Cl

121 ¹⁰B³⁷Cl₃

122 ¹¹B³⁷Cl₃

Die Gesamtdrücke der Wasserstoff-BCl_-Mischung wurden von 1,5 bis 5 Torr für jede Mischung verändert, wobei bei einem Druck von mehr als 3 Torr nur eine geringe oder gar keine chemische Reaktion auftrat. Bei 3 Torr oder weniger werden jedoch die Massenspitzen 115, 117, 119, 120, 121 und 122 nach 1000 Impulsen entfernt und das verbleibende Rest-BCl_ enthält 70% ¹¹B³⁵Cl₃ und 30% ¹¹B³⁵Cl₂ ³⁷Cl. Ferner wurde gezeigt, daß die entfernten Isotopenkombinationen eine Funktion des Gasdrucks und der Gastemperatur waren. Das heißt also, daß durch die richtige Auswahl dieser Parameter die CO₂-strah·

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lung eine selektive Synthese der Isotopverbindungen vorsieht. Auf diese Weise kann die selektive Anreicherung als Trennung der gewünschten Bor- und/oder Chlor-Isotope entsprechend diesem Ausführungsbeispiel erreicht werden.

Zum Stand der Technik bezüglich des Ein-Photonenverfahrens sei noch auf folgende Literaturstelle hingewiesen:

R. V. Ambartzumian u. An.,"Sulphur Isotope Separation with an Enrichment Factor *10 Caused by Irradiation of SF- Molecules by CO₃ Laser", JETP Letters, Band 21, Seiten 375-378 (20. März 1973).

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Claims

- 17 Ansprüche

1. Verfahren zum Erhalt elementarer Werte, die in einem bestimmten Isotop dieses Elements angereichert sind, gekennzeichnet durch

a) Vorsehen eines Strömungsmittels, welches eine erste Molekülart umfaßt, die zwei oder mehr Isotope des Elements enthält, wobei die erste Molekülart beim Vorhandensein einer hinreichend intensiven Laserstrahlung einer ersten Frequenz eine Dichte der Schwingungsniveaus aufweist, die ausreicht, um Mehrfachphotonenabsorptionen auf höhere Schwingungsniveaus von einem ersten unteren Schwingungsniveau durch Absorption von Photonen der gleichen Energie zu gestatten, wie sie die erste Molekülart auf das erste untere Schwingungsniveau anregen,

b) Bestrahlung des Strömungsmittels mit einer Infrarotlaserstrahlung einer ersten Frequenz, die selektiv diejenigen Molekülen der ersten Molekülart auf ein erstes unteres Schwingungsniveau anregt, welche ein spezielles Isotop dieses Elements enthalten, wobei die Infrarotlaserstrahlung eine Intensität besitzt, die ausreicht, um Mehrfachphotonenabsorption der Infrarotlaserstrahlung vom erwähnten ersten unteren Schwingungsniveau auf eine Vielzahl von höheren Schwingungsniveaus zu erzeugen,

c) gleichzeitige Bestrahlung des Strömungsmittels mit Laserstrahlung einer zweiten Frequenz, die ausreicht, um einen Schwingungszustand in den Molekülen zu erzeugen, die durch Mehrfachphotonenabsorption der Strahlung der ersten Frequenz angeregt sind, bei welcher die angeregten Moleküle eine chemische Reaktion ausführen, und

d) Trennung der Reaktionsprodukte der erwähnten chemischen Reaktion vom Strömungsmittel.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel ein Gas ist, und daß die erste Molekülart mehratomige Moleküle sind, die vier oder mehr Atome enthalten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas eine zweite chemische Spezies enthält, die kein Laserlicht absorbiert und im wesentlichen nicht mit den nicht angeregten Molekülen der ersten Molekülart reagiert, aber außerordentlich reaktionsfreudig mit Molekülen der ersten Molekülart ist, die auf ein oberes Schwingungsniveau angeregt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß "die chemische Reaktion eine Dissoziation ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite chemische Spezies vorgesehen ist, welche die Laserstrahlung nicht absorbiert und im wesentlichen mit der ersten Molekülart nicht reagiert, aber außerordentlich reaktionsfreudig mit mindestens einem der Reaktionsprodukte der Dissoziation ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas eine Dichte besitzt, bei welcher die selektiv angeregten Moleküle nicht im wesentlichen durch die Kollision mit nicht angeregten Molekülen deaktiviert sind.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Molekülart ein flüchtiges Halogenid eines Elements mit zwei oder mehreren Isotopen ist, daß das flüchtige Halogenid Spektraleigenschaften besitzt, welche den CO -Linien entsprechen oder eng mit diesen zusammenfallen, und daß die Infrarotlaserstrahlung eine CO₉-Laserstrahlung ist.

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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das flüchtige Halogenid mit Wasserstoff vermischt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das flüchtige Halogenid SF, oder SiF- oder CH₃F oder BCl- oder NF₃ oder CF₂Cl₂ ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das flüchtige Halogenid SF_ ist.

'11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Molekülart BCl₃ ist, daß die'Infrarotlaserstrahlung CO₉-Laserstrahlung und daß die zweite chemische Spezies Wasserstoff ist.

12. Verfahren zum Trennen von Isotopen aus Schwefel, gekennzeichnet durch die Bestrahlung einer gasförmigen Mischung aus SFg und Wasserstoff mit intensiver CO₂~Laserstrah-

lung einer Frequenz, die selektiv nur diejenigen SF--Moleküle

anregt, welche ein spezielles Schwefelisotop enthalten, und wobei die Reaktionsprodukte von den SF -Molekülen getrennt werden, die keiner Reaktion unterworfen waren.

B 098 h5/0773