DE2738651A1

DE2738651A1 - Verfahren zur trennung und anreicherung von lithiumisotopen mittels laser

Info

Publication number: DE2738651A1
Application number: DE19772738651
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kaiwagi; Mikio Yamashita
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1977-08-26
Publication date: 1978-03-02
Also published as: JPS5327797A; DE2738651C2; US4149077A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Anreicherung oder Trennung von Lithiumisotopen, Li und Li, mittels eines Lasers.

In der Natur kommen die Lithiumisotope Li und Li in einem Verhältnis von 7,42 : 92,58 vor.

In neuerer Zeit hat Li eine zunehmende Beachtung als Quelle für Tritium, T, gefunden, das als Brennstoff für thermonukleare Fusionsreaktoren verwendet wird. Dies bedeutet, daß die Wichtigkeit von Tritium, T, als Brennstoff für thermonukleare Fusionsreaktoren als Folge der Zunahme von Untersuchungen über thermonukleare Fusionsreaktoren erkannt wurde. Auf der

Erde ist Tritium, T, äußerst selten und existiert in einem Verhältnis von

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nur 1/10 zu 1, bezogen auf gewöhnlichen Wasserstoff (Protium). Im Hinblick auf das seltene, natürliche Vorkommen von Tritium ist ohne weiteres ersichtlich, daß das Isotop künstlich nach irgendeiner Methode hergestellt werden muß, damit dieses Isotop als Brennstoff im technischen Maßstab verwendet werden kann. Eine der bislang zugänglichen, einfachsten Methoden ist eine Kernreaktion der folgenden Gleichung, welche durch Bestrahlung von Li mit thermischen Neutronen durchgeführt wird. Diese Kernreaktion erlaubt die leichte Herstellung von Tritium, T:

⁶Li +¹H-* ³T + ⁴He + 4,8 MeV.

Weiterhin kann Tritium, T, aus Li durch Reaktion nach der folgenden Gleichung hergestellt werden. In diesem Fall tritt die Reaktion nur auf, fall die eingesetzten Neutronen einen ausreichend hohen Energieinhalt aufweisen. Aus diesem Grunde wird Li hauptsächlich als ab: Neutronen in Kernspaltungsreaktoren eingesetzt.

Aus diesem Grunde wird Li hauptsächlich als absorbierendes Mittel für

⁷Li + ^ln -» ³T + ⁴He + 'n - 2,5 MeV.

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Genauer gesagt, wird Li als Quelle für die Anfangsbeladung von Tritium bei thermonuklearen Fusionsreaktoren oder als Brüterstoff für Tritium innerhalb der Abschirmungen solcher Reaktoren eingesetzt. Im Gegensatz dazu wird Li, das auf mehr als 99Z konzentriert wurde, als absorbierendes Mittel für Neutronen und als pH-Regler zur Verhinderung einer Wasserstoffversprödung bei Leichtwasser-Kernspaltungsreaktionen verwendet. Bei einem der Krafterzeugung dienenden Kernspaltungsreaktor mit einer Leistung von 550 000 kW werden beispielsweise etwa 70 kg Li für diesen Zweck pro Jahr verbraucht.

Wie zuvor beschrieben ist die zur Anreicherung oder Trennung der Lithiumisotope Li und Li angewandte Technik 1
Kernspaltungsreaktoren äußerst wichtig.

isotope Li und Li angewandte Technik für Kernfusionsreaktoren und für

Bislang beruhten fast alle Versuche zur Anreicherung und Abtrennung von

Li auf Austauschreaktionsmethoden, sich daran anschließenden Elektrolysemethoden, Moleküldestillationsmethoden und Ionenwanderungsmethoden. Alle diese Methoden nutzten die Unterschiede in der Reaktionsgeschwindigkeit oder der Teilchengeschwindigkeit als Folge des Massenunterschiedes zwischen den beiden Isotopen aus.

Die Zweiphasenaustauschreaktionsmethode, welche die Anreicherung unter Ausnutzung der Erscheinung erreicht, daß die Eindringgeschwindigkeiten in zwei Phasen von dem Massenunterschied zwischen den Isotopen abhängig ist, erfordert die Verwendung einer Kombination von zwei flüssigen Phasen, welche einen großen Isotopentrennfaktor haben. Beispielsweise wird in Journal of Chemical Physics, Bd. 56_, No. 5, (1972), S. 1855-1862 die Kombination eines organischen Lösungsmittels und eines dielektrischen Lösungsmittels vorgeschlagen. In Journal of Chemical Physics, Bd. 57_, No. 12 (1972) S. 5556-5561 wird die Kombination einer wäßrigen Losung und eines organischen Lösungsmittels vorgeschlagen. Die Kombination einer wäßrigen Lösung und eines Amalgams wird in Journal of Chemical Physics, Bd. 64_, No. 4, S. 1828-1837 vorgeschlagen. Eine Ionenwanderungsmethode, welche die Anreicherung von

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Lithiumisotopen unter Ausnutzung der durch den Unterschied der Massen der Lithiumisotope beeinflußten Ionenbeweglichkeit in einer an einen Gleichstrom angelegten hindurchgeschickten Lösung ausnutzt, wurde ebenfalls vorgeschlagen, s. The Journal of Physical Chemistry, Bd. 62, (1958) S. 760.

Diese Methoden nutzen alle den kleinen Massenunterschied nur unter Berücksichtigung der Trägheitskraft aus, und daher ergeben sich hierbei nur extrem kleine Isotopentrennfaktoren. Dies bedeutet, daß die Gewinnung eines gewünschten Lithiumisotops in einer erforderlichen Menge die Durchführung des Anreicherungs- und Trennverfahrens in einer Vielzahl von Stufen notwendig macht, die für eine lange Zeitspanne wiederholt werden müssen. Die Ionenwanderungsmethode verbraucht in zu starkem Ausmaß elektrischen Strom, um ihre Durchführung technisch möglich zu machen.

In der japanischen Patentveröffentlichung 13798/1968 ist eine Methode beschrieben, nach welcher Uranisotope durch Bestrahlen von Uran mit einem Laserstrahl in zwei getrennten Stufen unter Anregung und Ionisierung des gewünschten Isotops getrennt werden. Diese Methode kann jedoch nicht auf die Anreicherung und Trennung von Lithiumisotopen angewandt werden, da Uran und Lithium vollständig verschiedene Strukturen der Spektren und Druckeigenschaften besitzen und daher unterschiedliche Verschiebungen der Absorptionslinien und unterschiedliche Wellenlängen, welche nach einer vollständig unterschiedlichen Methode von den zu verwendenden Laserstrahlen kontrolliert werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Methode zur leichten und wirtschaftlichen sowie technisch vorteilhaften Trennung und Anreicherung der Lithiumisotope Li und Li.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung und Anreicherung der Lithiumisotope wird so durchgeführt, daß ein Lithiumatomstrahl mit einem ersten Laserstrahl mit einer Wellenlänge, die zur Anregung des ersten Lithiumisotopes in der Lage ist und zur Anregung des zweiten Lithiumisotopes

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nicht in der Lage ist, bestrahlt wird. Beispielsweise bewirkt die Bestrahlung von Lithiumdampf mit einem Laserstrahl einer Wellenlänge von 6707,761 A oder etwa 3232,61 A die selektive Anregung von Li, während die Bestrahlung unter Anwendung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 6708,072 A oder etwa 3232,60 A eine selektive Anregung von Li bewirkt. Dann wird der Lithiumstrahl, welcher die Bestrahlung mit dem ersten Laserstrahl erfahren hat, gleichzeitig mit einem zweiten Laserstrahl mit einer Wellenlänge, welche zur Ionisierung des angeregten Lithiumisotops in der Lage ist, jedoch zur Ionisierung des nicht angeregten Lithiumisotops nicht in der Lage ist, bestrahlt, so daß nur das Lithiumisotop in dem angeregten Zustand ionisiert wird. Genauer gesagt bedeutet dies, daß die selektive Ionisierung des angeregten Lithiumisotopes dadurch erhalten wird, daß der Lithiumstrahl mit einem Laserstrahl einer Wellenlänge von weniger als 3500 A bestrahlt wird, wenn die Anregung unter Verwendung einer Wellenlänge in der Nachbarschaft von 6708 A herbeigeführt wurde, oder daß er mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als 8000 A bestrahlt wird, wenn die Anregung unter Benutzung einer Wellenlänge in der Nachbarschaft von 3233 A erreicht worden ist. Das Lithiumisotop, das auf diese Weise ionisiert wurde, und das andere Lithiumisotop, das der Ionisierung entkommen ist, werden voneinander mittels eines Massenfilters getrennt.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Trennung und Anreicherung von Lithiumisotopen dadurch erreicht, daß ein gewünschtes Isotop selektiv angeregt und ionisiert wird und zwar als Folge der Isotopenverschiebungen in den Absorptionslinien von Lithium, wie sie zuvor beschrieben wurden. Daher kann die Trennung und Anreicherung von Lithiumisotopen leicht und wirksam in einer kurzen Zeitspanne durchgeführt werden.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung näher erläutert, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird; in den Zeichnungen sind:

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Fig. 1 ein erläuterndes Diagramm, welches die Energiezustände von

Lithium wiedergibt, die bei der Erfindung eine Rolle spielen;

Fig. 2 eine erläuterndes Diagram, welches die Isotopenverschie

bungen von Lithium in der Nachbarschaft von 6708 A wiedergibt;

Fig. 3 eine schematische, geschnittene Aufsicht einer Ausführungs

form der Vorrichtung, welche bei der Durchführung des erfindungsgemäBen Verfahrens zur Trennung und Anreicherung des Lithiumisotops verwendet wird;

Fig. 4 eine geschnittene Ansicht längs der Schnittlinie IV-IV

von Fig. 3;

Fig. 5 ein erläuterndes Diagramm, welches die Bestrahlungsrich

tungen mit zwei Laserstrahlen, wie sie bei dem erfindungsgemäSen Verfahren eingesetzt werden, zeigt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert.

Bislang wurden die Lithiumisotope Li und Li voneinander hauptsächlich unter Ausnutzung der Massenunterschiede getrennt. Wegen des kleinen Isotopentrennfaktors von Lithium waren die Arbeiten zur Auftrennung und Anreicherung sehr kompliziert.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik wurde nun nach einer Methode gesucht, die es ermöglicht, die Trennung und Anreicherung der Lithiumisotope leicht und wirtschaftlich durchzuführen. Hierbei wurde gefunden, daß das Element 'Lithium* starke Absorptionslinien in der Machbarschaft von 6707,84 % und 3232,61 & besitzt, und dafi daher die Isotope ⁶Li und⁷Li leicht voneinander unter Ausnutzung der Isotopenverschiebungen, welche bei den jeweiligen Absorptionslinien auftreten, getrennt werden können.

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-s-

Die Erfindung wurde aufgrund dieser Feststellung durchgeführt.

Die Fig. 1 zeigt die Energieniveaus von Lithium, die bei der Erfindung eine Rolle spielen.

Das Element 'Lithium' besitzt zwei starke Absorptionslinien, eine in der Nachbarschaft von 6708 A und die andere in der Nachbarschaft von 3232 Ä, und es gibt eine Isotopenverschiebung von etwa 0,356 cm bezüglich der ersten Absorptionslinien und eine weitere Isotopenverschiebung von etwa 0,345 cm hinsichtlich der letztgenannten Absorptionslinien. Wenn beispielsweise die Lithiumisotope mit einem Lichtstrahl bestrahlt werden, der eine exakt auf eine der beiden Linien eingestellte Wellenlänge, welche nur einen der gewünschten Isotope der ersteren Absorptionslinien zuzuschreiben ist, besitzt, werden die Anteile von Li und Li, die in dem

Grundzustand 2s Sl vorlagen, in den 2p P13-Zustand angeregt. 2 22

Wenn die Lithiumisotope mit einem Lichtstrahl bestrahlt werden, der eine exakt auf eine von zwei Linien eingestellte Wellenlänge, welche nur dem gewünschten Isotop der letztgenannten Absorptionslinien zuzuschreiben ist, besitzt, werden in ähnlicher Weise die Anteile von Li und Li, die in

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dem Grundzustand existierten, zu dem 3p PJJ-Zustand angeregt.

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Genauer gesagt bedeutet dies, daß bei der Bestrahlung der Lithiumisotope mit einem Laserlichtstrahl, der auf eine Wellenlänge im Bereich von 6707,912 A bis 6708,072 A* gesteuert ist, durch Verwendung eines Lasers, der zur Steuerung der Oszillationsspektralbreite genau innerhalb von 0,01 X in der Lage ist, wie z.B. einem Farbstofflaser, den der Ofen mit darin enthaltenem Dampf von nur dem nicht gewünschten Lithiumisotop ( Li) in dem Laserhohlraum liefert oder irgendwelche optischen Dispersionselenente in dem Laserhohlraum liefern, wird nur das Li aus den Lithiumisotopen selektiv angeregt. In gleicher Weise ergibt eine Bestrahlung der Lithiumisotope mit einem Laserstrahl, der auf eine Wellenlänge im Bereich von 6707,761 & bis 6707,912 α eingestellt ist, eine selektive Anregung nur

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des Li aus den Lithiumisotopen (Fig. 2).

Das einzige Isotop, das auf diese Weise in den angeregten Zustand gebracht worden ist, wird anschließend dadurch ionisiert, daß es mit Licht mit die Ionisationsenergie übersteigender Energie bestrahlt wird, d.h. einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 3500 X. Von dem Isotop, das nicht ionisiert wurde, kann das ionisierte Isotop leicht dadurch abgetrennt werden, daß das Gemisch der beiden Isotope durch ein Massenfilter durchgeschickt wird, welches in einem magnetischen Feld mit spezifischer Größe errichtet wird.

Wenn die Absorptionslinie in der Nachbarschaft von 3232,61 X verwendet wird, wird ein Laser, der zur Steuerung der Oszillationsspektralbreite genau innerhalb von 0,01 A, wie zuvor beschrieben, in der Lage ist, so eingestellt, daß er einen Laserstrahl erzeugt, welcher eine Wellenlänge besitzt, die zur selektiven Anregung von entweder Li oder Li in der Lage ist. Dann werden die Lithiumisotope mit diesem Laserstrahl bestrahlt. Danach werden sie mit einem Laserlichtstrahl einer Wellenlänge von weniger als etwa 8000 A bestrahlt, um das ausgewählte Isotop von dem angeregten Zustand in den ionisierten Zustand zu pumpen. Als Folge hiervon wird das angeregte Isotop der gemischten Isotope von Lithium selektiv ionisiert. Das ionisierte Isotop wird dann mit Hilfe eines Massefilters und eines Ionensammlers abgetrennt und angereichert.

In den Fig. 3 und 4 ist schematisch eine Ausführungsform der bei der Durchführung der Erfindung anzuwendenden Vorrichtung gezeigt. Die in einer streng abgedichteten Kammer 1 gebildeten Auslässe 2 sind jeweils mit (nicht gezeigten) Vakuumpumpen verbunden, die so betrieben werden, daß das Innere der Kammer 1 in einem Zustand eines Vakuums in der Größenordnung von 10 mm Hg gehalten wird.

Innerhalb der Kammer 1 ist ein hitzebeständiger Tiegel 3, z.B. ein Tantaltiegel angeordnet. In diesem Tiegel 3 wird metallisches Lithium 4 gehalten. Der Tiegel 3 ist an der Außenwand mit einem Heizelement 17 versehen, das

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nach außen mit einem die Hitze isolierenden Material zur Zurückhaltung der Wärme abgedeckt ist.

In den Pfad des aus den Auslaß des Tiegels herauskommenden Strahls von metallischem Lithium ist eine Platte 6 zur Entfernung von thermischen Ionen und eine Schlitzplatte 7 zum Zusammenfassen des Dampfes vorgesehen. An den gegenüberliegenden Enden der Laserbestrahlungszone 8 sind Laserlichtquellen 9 und 10 (Fig. 4) vorgesehen. Die Laserstrahlen aus den Laserlichtquellen 9 und 10 werden zu dem Laserbestrahlungsbereich 8 über die den Laserstrahl konvergierende Linse oder Polarisationswinkelfenster 11, welche sich zu dem Lithiumstrahl senkrecht befinden, geschickt.

Weiterhin sind in dem Pfad des Lithiumstrahles Ionenlinsen 12, quadripolare Massefilter 13, Ionensaramlerelektroden 14, Kanalionensammler 15 und eine Falle 16 für neutrale Atome vorgesehen.

Bei einer Vorrichtung mit der zuvor beschriebenen Konstruktion wird das Innere der Kammer auf ein Vakuum von 10 mm Hg evakuiert und der Tiegel 3 wird auf Temperaturen von 500°C bis 800°C mittels des Heizelements 17 erhitzt. Als Folge hiervon wird das innerhalb des Tiegels 3 gehaltene, metallische Lithium 4 geschmolzen und eine kontinuierliche Strömung von

Dampf aus metallischem Lithium tritt aus dem Auslaß des Tiegels mit einem

—ο ο
Druck von 10 bis 10 mm HG aus. Der Dampf aus metallischem Lithium, welcher aus dem Tiegel 3 austritt, besitzt 10 bis 10 Lithiumatome pro cm .

Die Strömung des Strahles von metallischem Lithium, welche aus dem Tiegel heraustritt, enthält thermische Ionen, die aus der Strömung mittels der die thermischen Ionen entfernenden Platte 6 entfernt werden, wobei diese am Auslaß des Tiegels angeordnet ist. Dann wird der Strahl mittels der Strahlkonvergierschlitzplatte 7 zusammengebündelt. Die zusammengebündelte Strömung des Lithiumstrahles wird dann zu dem Laserbestrahlungsbereich geschickt, um hier mit den zwei Strahlen von Laserlicht 9' und 10' bestrahlt zu werden. Der Laserbestrahlungsbereich 8 wird konstant mit einem

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-n-

Lichtstrahl 9', der aus der Laserquelle 9 austritt und zur Anregung des ausgewählten Isotops gesteuert wird, und mit einem Lichtstrahl 10', der aus der Laserquelle 10 austritt und zur Ionisierung des Lithiumisotops in den angeregten Zustand gesteuert wird, bestrahlt. Während die Strömung des Strahls aus metallischem Lithium, welche aus der Schlitzplatte 7 austritt, durch den Laserbestrahlungsbereich 8 durchtritt, werden das in dem Atomstrahl enthaltene Li oder Li sofort angeregt und ionisiert. Die Strömung des Dampfes von metallischem Lithium, welche jetzt das ionisierte Isotop enthält, wird zu den Ionenlinsen 12 geschickt, bei denen nur das ionisierte Isotop gesammelt wird, so daß es in wirksamer Weise zu den quadripolaren Massefiltern 13 gelangt. An den Massefiltern 13 wird der Anteil der Konzentration des ionisierten Isotops durch Einstellung der Intensität des hierin gebildeten Magnetfelds reguliert. Beispielsweise kann hoch konzentriertes Li dadurch erhalten werden, daB das Magnetfeld auf eine Intensität eingestellt wird, so dafl nur der Durchtritt des ionisierten Li möglich ist. Auf diese Weise kann das zu einem gewünschten Verhältnis konzentrierte Lithiumisotop leicht durch Einregeln der Intensität des Magnetfelds des Massefilters erhalten werden, und das konzentrierte Lithiumisotop wird durch die Ionensammelelektroden 14 gesanmelt. Schließlich wird das aufgefangene Isotop neutralisiert und in dem Kanalionenkollektor 15 angesammelt. Während dieser Zeit kann das Isotop, das nicht ionisiert wurde, in gerader Linie vorwärts fliegen und wird in der Neutralatomfalle 16 angesammelt.

In der beschriebenen Weise werden die Isotope Li und Li des Lithiums in dem gewünschten Verhältnis getrennt oder angereichert.

Der Dauerstrich-Farbstofflaser kann als ein Laser des Typs beschrieben werden, der zur genauen Steuerung der Wellenlänge auf 6707,761 Ä oder auf 6708,072 λ* geeignet ist, d.h. auf drei Dezimalstellen eines &. Es gibt zwei Methoden zur Steuerung der Wellenlänge des Laserstrahls. Die erste Methode ist folgende:

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Bei der Anreicherung oder Trennung von Li z.B. wird, falls ein nur das Isotop Li enthaltender Ofen innerhalb des Resonators der Lasereinheit angeordnet und auf eine Temperatur wischen 300°C und 500°C zur Füllung mit Li-Dampf erhitzt wird und falls danach die zu trennenden Lithiumisotope mit einem Laserlichtstrahl bestrahlt werden, der durch den Ofen durchgetreten ist, der Spektralbereich des Laserstrahls, der eine Wellenlänge zur Anregung von Li besitzt, durch den Li-Dampf innerhalb des Ofens absorbiert und nur das Isotop Li wird selektiv angeregt. Bei der Anreicherung oder Trennung von Li wird, wenn ein Li enthaltender Ofen innerhalb des Resonators angeordnet und erhitzt wird und danach die Lithiumisotope mit dem Laserlichtstrahl bestrahlt werden, der durch den Ofen durchgetreten ist, nur das Isotop Li selektiv angeregt.

Andererseits kann ein Laserstrahl mit einer gewünschten Oszillationsspektralbreite ebenfalls durch Einstellung der Dispersionselemente wie Prismen»doppelbrechende Filter und Normalmaßplatte (Etalon), die innerhalb des Resonators der Lasereinheit angeordnet sind, erhalten werden.

Wenn die Trennung und Anreicherung unter Ausnutzung der Absorptionslinie in der Nachbarschaft von 3232,61 A durchgeführt wird, kann der Dauerstrich-Farbstoff laser in wirksamer Weise unter Bereitstellung eines nicht linearen, optischen Kristalls, der innerhalb des Resonators des Lasers vorgesehen ist, angewandt werden, so daß die zweite harmonische Wellenlänge erzeugt wird.

Zur Ionisierung des angeregten Lithiumisotops wird das angeregte Isotop mit einem Laserlichtstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als 3500 Ä bestrahlt, wenn die Anregung unter Ausnutzung der Absorptionslinie in der Nachbarschaft von 6707,84 8. erreicht wurde. Die Bestrahlung wird jedoch mit einem Laserlichtstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als 8000 X durchgeführt, wenn die Anregung durch die Absorptionslinie in der Nachbarschaft von 3232,61 Ä herbeigeführt wurde. Bei der Exposition des angeregten Lithiumisotops mit dem Laserlichtstrahl entsprechend der zuvor gegebenen Beschreibung wird dieses Lithiumisotop auf ein Energieniveau, das die Ionisierungsenergie übersteigt, gepumpt.

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Wenn ein Laserlichtstrahl mit einer kürzeren Wellenlänge, als vorgegeben, zum Zwecke der Ionisierung eingesetzt wird, besteht die Möglichkeit, daß das nicht angeregte Lithiumatom auch noch ionisiert wird. Daher sollte das selektiv angeregte Lithiumisotop mit einem Laserstrahl ionisiert werden, welcher eine längere Wellenlänge besitzt als die Wellenlänge, welche der Photonenenergie entspricht, welche das Lithiumatom im Grundzustand direkt ionisiert.

Beispiele von Lasern, die zur Erzeugung solcher Laserlichtstrahlen geeignet sind,umfassen den He-Cd-Laser und den Ne-Laser, im Fall der selektiven Anregung bei 6708 A und den Ar-Ionenlaser und ähnliche Laser im sichtbaren Bereich im Fall der selektiven Anregung bei 3233 A.

In der in der Fig. 4 wiedergegebenen Vorrichtung werden der Strahl 9' des zur selektiven Anregung verwendeten Laserlichts und der Strahl 10* des zur Ionisierung verwendeten Laserlichts in den Laserbestrahlungsbereich 8 in senkrecht zueinander gerichteten Richtungen projiziert. Alternativ kann der Strahl 9' des zur selektiven Anregung benutzten Laserlichtes in einer senkrechten Richtung und der Strahl 10' des zur Ionisierung verwendeten Laserlichts in einer horizontalen Richtung projiziert werden, so daß sie sich schneiden, wo der Lithiumatomstrahl aus der Schlitzplatte 7, wie in der Fig. 5 gezeigt, austritt.

Gemäß der Erfindung wird eines der beiden Lithiumatome angeregt und ionisiert, indem geeignete Isotopenverschiebungen bei den Absorptionslinien des Elements "Lithium" ausgenutzt werden, so daß die Trennung und Anreicherung der Isotope entsprechend der zuvor gegebenen Beschreibung erreicht wird. Die Erfindung erlaubt daher die Gewinnung eines in höherer Reinheit konzentrierten Lithiumisotops in einer kürzeren Zeitspanne als bei beliebigen konventionellen Methoden zur Anreicherung und Trennung von Lithium.

Weiterhin vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren die Notwendigkeit zur Wiederholung des Trennvorgangs in einer Vielzahl von Stufen. Die zur

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Durchführung der Methode erforderliche Ausrüstung ist daher nicht teuer. Daher kann die Anreicherung und Trennung von Lithiumisotopen in wirtschaftlicher Weise gemäß der Erfindung erreicht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Arbeitsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

In einer entsprechend Fig. 3 konstruierten Vorrichtung wurde ein etwa 50 g metallisches Lithium enthaltender Tantaltiegel innerhalb der Kammer angeordnet, wobei das Innere auf einem Vakuum in der Größenordnung von 10 mm Hg gehalten wurde und er wurde auf etwa 730 C erhitzt. Zu diesem Zeitpunkt war der Lithiumdampfdruck innerhalb des Tiegels etwa 7,5 χ 10 mm Hg äquivalent. Die Anzahl der Lithiumatome in dem Lithiumatomstrahl,

tr ο

der aus dem Tiegel herausgeschleudert wurde, war 3 χ 10 pro cm äquivalent. Bei diesem Dampfdruck betrug die Dopplerverbreiterung der Absorptionslinie in der Nachbarschaft von 6706,84 A 0,026 cm .

Der so innerhalb des Tiegels erzeugte Lithiumatomstrahl wurde durch die thermische ionen entfernende Platte und die den Atomstrahl zusammenziehende Schlitzplatte mit einem Schlitz von 1 mm χ 10 mm geschickt. Die Anzahl von Lithiumatomen in dem aus dem Schlitz austretenden Lithiumatomstrahl war

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10 /see äquivalent. Auf die Strömung des Lithiumatomstrahls wurde ein Laserlichtstrahl mit 6708,072 + 0,025 X Wellenlänge und 10 W/cm Abgabeleistung, erzeugt unter Verwendung eines Dauerstrich-Farbstofflasers (einer gemischten Lösung von Sulforhodamin 101 und Rhodamin 6G, gelöst in Äthylenglykol) versehen mit einem Resonator mit darin befindlichen zwei Polarisationsprismen, einer Normalmaßplatte mit einer Stärke von 0,3 mm und einer Normalmaßplatte mit einer Stärke von 2 mm, in der senkrechten Richtung projiziert und ein Laserlichtstrahl mit einer Wellenlänge von 3250 R und 5 χ 10 W/cm Abgabeleistung wurde unter Verwendung eines He-Cd-Lasers in horizontaler Richtung projiziert. Der Atomstrahl, der mit den Laserlichtstrahlen bestrahlt worden war, wurde durch ein Massefilter geschickt, das in einem magnetischen Feld

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aufgebaut war und so gesteuert wurde, daß der selektive Durchtritt von lediglich Li möglich war. Während einer Zeitspanne von 1 Stunde wurden etwa 6,2 mg Li,konzentriert auf 5OZ, erhalten.

Der Lithiumatomstrahl wurde mit einem Laserlichtstrahl aus dem Dauerstrich-Farbstoff laser bestrahlt, der mit einem Dampf von 99,9Z Li enthaltenden Ofen im Resonator anstelle des zuvor genannten Laserlichtstrahls zur selektiven Anregung versehen war. Der Laserlichtstrahl besaß eine

Abgabeleistung von 100 W/cm . Während einer einstundigen Bestrahlungsperiode wurden etwa 50 mg Li, konzentriert auf etwa 50Z, erhalten.

Beispiel 2

Unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wurde ein Lithiumatomstrahl erzeugt. Auf die Strömung des Lithiumatomstrahls, die aus dem Schlitzheraustrat, wurde ein Laserlichtstrahl mit einer Wellenlänge von 3232,61 Ä, 0,17 cm" Spektralbreite und 10 W/cm Abgabeleistung erzeugt mittels eines Dauerstrich-Farbstofflasers (Rhodamin B, aufgelöst in Äthylenglykol) mit einem in dem Resonator des Lasers eingesetzten ADP-Kristall für die Erzeugung der zweiten harmonischen Schwingung, in senkrechter Richtung zur selektiven Anregung projiziert, und der Strahl

8 2 eines Ar-Ionenlasers mit einer Intensität von 7 χ 10 W/cm mit einer Wellenlänge von 5145 X bis 4545 R wurde in horizontaler Richtung zur Ionisierung projiziert.

Nach einstundiger Exposition mit diesen Laserstrahlen wurden aus dem Lithiumdampf etwa 20 mg Li,konzentriert auf etwa 50Z, erhalten.

Beispiel 3

Unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wurde ein Lithiumatomstrahl erzeugt. Auf die Strömung des Lithiumstrahls wurde ein Laserlichtstrahl aus einem Dauerstrich-Farbstofflaser (einer gemischten Lösung von Sulforhodamin 101 und Rhodamin 6G aufgelöst in Äthylenglykol), versehen mit einem Resonator, der hierin einen mit Li-Dampf gefüllten

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Ofen zur Ausfilterung lediglich der der Li-Atomresonanzlinie der oszillierenden Wellenlängen um 6708 A entsprechenden Wellenlänge hatte, in senkrechter Richtung projiziert und ein Laserlichtstrahl mit einer Wellenlänge von 3250 A und 5 χ 10 W/cm Abgabeleistung, erzeugt unter Verwendung eines He-Cd-Lasers, wurde in horizontaler Richtung projiziert. Der Lithiumstrahl, der den Laserlichtstrahlen ausgesetzt worden war, wurde durch ein Massefilter geschickt, das in einem Magnetfeld aufgebaut und zum selektiven Durchtritt von Li eingestellt war. Bei einer

Abgabeleistung von 10 W/cm des Laserlichtstrahls aus dem Dauerstrich-Farbstoff laser wurden etwa 60 mg Li, konzentriert auf etwa 99%, während einer einstündigen Bestrahlungsperiode erhalten.

Das Element "Lithium" besitzt starke Absorptionslinien nahe bei 6707,84 X und 3232,71 A und besitzt spezifische Isotopenverschiebungen bei den jeweiligen Absorptionslinien. Mit Hilfe eines Lasers, der zur Steuerung der Oszillationsspektralbreite genau innerhalb von 0,01 A* in der Lage ist, werden die Isotope dieses Elements voneinander durch Bestrahlung des Lithiumatomstrahls mit einem auf die Absorptionslinie eines der beiden Isotope

Li und Li eingestellten Laserstrahls, Ionisieren nur des angeregten Isotops durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl mit einer ausreichenden Photonenenergie zum Pumpen vom angeregten Zustand in den ionisierten Zustand und Abtrennen des ionisierten Isotops von dem nicht ionisierten Isotop mit Hilfe eines Massefilters voneinander getrennt.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE

MANITZ. FINSTERWALD & GRÄMKOW

Agency of Industrial Science & Technology

Ministry of International Trade & Industry

3-1 Kasumigaseki 1 chome

Chiyoda-ku

Tokyo / Japan München, den 26. August 1977

P/SL - A 3150

Verfahren zur Trennung und Anreicherung von Lithiumisotopen mittels Laser

Patentansprüche

Verfahren zur Trennung und Anreicherung von Lithiumisotopen unter Verwendung von Laserlicht, dadurch gekennzeichnet , daß es die Stufen der Bestrahlung eines Lithiumatomstrahls mit einem ersten Laserlichtstrahl mit einer Wellenlänge, die zur selektiven Anregung eines ersten Lithiumisotops in der Lage ist und zur Anregung eines zweiten Lithiumisotops nicht in der Lage ist, die Durchführung einer Bestrahlung des Lithiumatomstrahls, welcher der Bestrahlung mit dem ersten Laserlicht unterworfen wurde, mit einem zweiten Laserlichtstrahl mit einer Wellenlänge, die zur Ionisierung des ersten Isotops in der Lage ist und zur Ionisierung des zweiten Isotops nicht in der Lage ist, und der Trennung des ionisierten ersten Isotops von dem nicht-ionisierten zweiten Isotop unter Verwendung eines Massenfilters umfaßt.

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DR. C. MANITZ · DIPL.-INC. M. FINSTERWALD DIPL. -INC. W. CRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH - ST R ASS E I 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 72

TEL. IOS9I 22 42 II. TELEX OS-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/28. TEL. (0711)56 72 61 POSTSCHECKrMONCHEN 77062-805

ORIGINAL INSPECTED
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Isotop Li ist und daß der erste Laserlichtstrahl eine Wellenlänge von 6708,072 X besitzt und daß der zweite Laserlichtstrahl eine Wellenlänge von weniger als 3500 X besitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Laserlichtstrahl eine Wellenlänge von etwa 3232,61 A besitzt und daß der zweite Laserlichtstrahl eine Wellenlänge von weniger als 8000 X besitzt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Isotop Li ist, daß der erste Laserlichtstrahl eine Wellenlänge von 6707,761 A besitzt und daß der zweite Laserlichtstrahl eine Wellenlänge von weniger als 3500 A besitzt.
5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Laserlichtstrahl eine Wellenlänge von etwa 3232,60 A besitzt, und daß der zweite Laserlichtstrahl eine Wellenlänge von weniger als 8000 X besitzt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Lith:
besitzt.

-2 0 der Lithiumatomstrahl einen Druck im Bereich von 10 bis 10 mm Hg
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die oszillierende Wellenlänge des ersten Laserlichtstrahls durch Einsetzen eines mit dem Dampf nur des zweiten Lithiumisotops gefüllten Ofens in den Laserresonator gesteuert wird, und daß danach der Lithiumatomstrahl mit dem ersten Laserstrahl unter selektiver Anregung nur des ersten Lithiumisotops bestrahlt wird.

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