DE2843686A1 - Verfahren und vorrichtung zur selektiven optischen erregung einer isotopenmannigfaltigkeit eines koerpers und anwendung des verfahrens - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Verfahren zur selektiven Erregung einer Isotopenmannigfaltigkeit eines Körpers, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Anwendung des Verfahrens auf d Le Isotopentrennung.

Unter den bekannten Verfahren zur selektiven Erregung einer Isotopenmannigfaltigkeit eines Körpers mit Hilfe einer optischen Strahlung besteht das einfachste Verfahren ohne Zweifel darin, daß man den Körper einer Strahlung aussetzt, dessen Energie· hF mit einer Absorptionsbande des Atoms oder des Moleküls zusammenfällt, wobei diese Koinzidenz nur für die einzige betrachtete Isotopenmannigfaltigkeit auftritt; bei dem Ausdruck für die Energie bedeutet dabei h die Planck'sehe Konstante und F die Strahlungsfrequenz. Ein Teil dieser Mannigfaltigkeit wird in einen erregten Zustand gebracht, der gegebenenfalls ein elektronisch erregter Zustand sein kann, wenn der Körper in atomarer Form vorliegt, jedoch handelt es sich in den meisten Fällen um einen durch Schwingungen oder Vibrationen erregten Zustand, wenn der Körper in molekularer Form vorliegt.

Dieses Verfahren wird insbesondere für Schwefelhexafluorid SF, verwendet, dessen mit v_o bezeichnete Bande mit den Spektrallinien P „ und P„_n des Kohlensäureanhydrid-Lasers zusammenfällt.

Eine Beschreibung dieses zum Stande der Technik gehörenden Verfahrens findet sich beispiel:,weise in dem Artikel von V.S. Lethokov et al, veröffont] icht in der Zeitschrift "Soviet Journal Quantum Electronics",

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Band 6, 259 (1976), oder in dem Artikel von J.L. Lyman et al, veröffentlicht in der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 27, 87 (1975).

Die bei einem derartigen Verfahren ins Spiel gebrachten Schwirujurujsnlveaus sind die Niveaus, die mit dem Grundzustand dos Moleküls verknüpft sind. Ihre Energie ist somit gering und die Erregerstrahlung muß sich notwendigerweise im entfernt gelegenen Infrarot befinden. Wenn es sich herausstellt, daß bestimmte Spektrallinien des CO„-Lasers glücklicherweise mit einer Bande des Schwefelhexafluorids SF, zusammenfallen, so ist dies

nicht immer bei anderen Körpern der Fall, und aus diesem Grunde hat man vergeblich eine starke Lichtquelle gesucht, die ungefähr bei einer Wellenlänge von 16 μΐη emittiert, einer Wellenlänge der Absorptionsbande ν., des aktiven UF^, das im Infrarot aktiv ist. Das Verfahren hat «omit einen begrenzten Anwendungsbereich.

Die Erfindung ermöglicht jedoch, gerade diese Schwierigkeit zu beseitigen, und gibt ein neuartiges Verfahren an, bei dem zwei Strahlungen anstatt einer einzigen Strahlung verwendet werden, wobei diese beiden Strahlungen unterschiedliche Frequenzen aufweisen; diese Voraussetzung ermöglicht die selektive Erregung, die sich nicht mehr auf die eigentlichen Frequenzen bezieht, sondern auf ihre Differenz, was wesentlich weniger einschränkend ist. Um ein Molekül aus seinem Grundzustand in einen seiner Raman-aktiven Schwingungszustände mit der Energie E übergehen zu lassen, erregt man gemäß der Erfindung mit der Gesamtheit von zwei Strahlungen mit den Frequenzen F₁ und F₂, wobei diese Frequenzen durch die Gleichung

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^hF1 - ^hF2 ^{= Ε}ν

verknüpft sind. Damit diese Erregung ein selektives Charakteristikum darstellt und nur eines der vorhandenen Isotopen anspricht, ist es, wie beim Stande der Technik, erforderlich, daß der Schwingungszustand eine Energie aufweist, die von der Masse des Moleküls abhängt. Mit anderen Worten, die diesem Zustand entsprechende Bande muß einer spektralen Isotopenverschiebung zugeordnet sein.

Der innere Mechanismus des Vorganges, der beim erfindungsgemäßen Verfahren stattfindet, das die sogenannte stimulierte induzierte Raman-Diffusion verwendet, ist sicherlich komplizierter als die Verfahren nach .dem Stande der Technik, bei denen nur von einer einfachen Absorption Gebrauch gemacht wird. Auf der praktischen Ebene bringt jedoch die Erfindung eine beträchtliche Vereinfachung, insbesondere im Hinblick auf die Suche von Lichtquellen, die für eine derartige Anwendung geeignet sind. In der Tat ist es wesentlich einfacher, zwei Lichtquellen zu finden, bei denen es sich in der Praxis um Laser handelt, bei denen die Differenz der Emissionsfrequenzen einem vorgegebenen Wert entspricht, als einen einzigen Laser in der Weise herzustellen, daß seine Frequenz gleich diesem Wert ist. In der Tat weiß man, daß es sogenannte Farb-Laser oder Dye-Laser gibt, die in der Lage sind, ein Lichtbünde] zu emittieren, dessen Frequenz in einem sehr breiten Bereich, praktisch vom Ultraviolett bis zum nahen Infrarot, eingestellt werden kann, und zwar entweder durch Veränderung der Färbung, oder aber durch Verwendung in einem Hohlraum eines lichtbrechenden Systems nach Art eines Beugungs-

Q

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gitters oder eines Prismas. Man kennt ferner Festkörperlaser, die im sichtbaren Bereich eine beträchtliche Leistungsfähigkeit aufweisen, wobei der bekannteste von ihnen der Rubinlaser ist. Gemäß der Erfindung genügt es, zwei derartige Laser zu kombinieren und die Frequenz des Farblasers auf den Wert

F₂ = F₁ - E_v/h

einzustellen. Es ist somit nicht mehr erforderlich, einen Laser zu verwenden, der im Infrarotbereich mit der aktiven Infrarot-Frequenz E /h emittiert, was in bestimmten Fällen zu beträchtlichen/ wenn nicht gar unlösbaren Problemen geführt hat. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit eine wesentlich breitere praktische Anwendung als das Verfahren nach dem Stande der Technik, und es kann somit auf eine ganze Familie von Körpern angewendet werden, die der Formel MF, entsprechen, wobei M das Symbol für ein Element ist, das zu der Gruppe gehört, die Schwefei, Selen, Tellur, Molybdän, Wolfram und Uran enthält. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne Schwierigkeiten zur selektiven Erregung von Uranhexafluorid in den verschiedenen Raman-aktiven Banden, insbesondere der Bande mit 812 cm , die dem Zustand ν., + v. entspricht.

Iiin weiterer Vorteil der Erfindung, der mit der Verwendung dca Mechanismus mit induzierter stimulierter RamandLffusion verknüpft ist, besteht darin, daß es möglich ist, Medien mit geringer Intensität zu erregen, wie man sie beispielsweise in Molekularstrahlen oder in Abkühlungs-Entspannungssystemen antrifft. Derartige Entspannungssysteme sind gelegentlich erforderlich, um

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die Bedeutung und den Einfluß der heißen Banden zu verringern, die sich den Spektren überlagern und die Isotopenverschiebungen überdecken.

Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein optisches Verfahren zur selektiven Erregung von Molekülen einer Isotopenmannigfaltigkeit eines Körpers, die in einer Mischung mit anderen Isotopenmannigfaltigkeiten des Körpers enthalten ist, und zeichnet sich dadurch aus, daß man

- aus den Raman-aktiven molekularen Schwingungs-Erregungszuständen, die der Körper aufweisen kann, einen Zustand auswählt, dessen Energie E gegenüber dem Grundzustand von der Masse des Moleküls abhängt, - diese Energie E für die zu erregende Isotopenmannicjfaltigkeit bestimmt und

- die Mischung der Isotopenmannigfaltigkeit einer Bestrahlung mit zwei monochromatischen und kolincjuren Licht bündeln mit den Frequenzen F₁ und F„ aussetzt, wobei diese Frequenzen der Beziehung

genügen und h die Planck"sehe Konstante ist.

Vorzugsweise wählt man beim erfindungsgemäßen Verfahren einen Zustand, der aus der Kombination von zwei verschiedenen molekularen Schwingungsmoden resultiert, wobei mindestens eine dieser beiden Moden und vorzugswoi-

JO se beiden Moden einer Isotopenverschiebuny zugeordnet sind.

Im Falle von Molekülen des Typs MF _fi wählt man insbesondere den Zustand, der der Kombinationsbande (v₃ + V₄)

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chi spricht, d.h. den Zustand, der aus der Kombination dor beiden Zustände resultiert, von denen der eine der Bande v-< und der andere der Bande υ. von MF, entspricht. Die Bedeutung dieser Wahl besteht darin, daß die Banden ν., und υ. beide einer spektralen Isotopenverschiebung zugeordnet sind, so daß die Bande (υ., + υ.) eine Kumulation dieser Verschiebungen repräsentiert, die so geartet ist, daß sie die Selektivität verbessert.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des oben angegebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung zeichnet sich aus

- durch einen Behälter, der eine Mischung von Isotopenmannlyfaltigkeiten eines Körpers enthält, wobei der Körper molekulare Schwingungs-Erregungszustände aufweist, von denen mindestens einer einer Isotopenverschiebung zugeordnet ist und die Energie dieses Zustands gegenüber dem Grundzustand für eine der Isotopenmannigfaltigkeiten gleich E ist, - durch zwei Lichtquellen, die monochromatische Strahlungen mit den Frequenzen F₁ bzw. F„ emittieren, wobei diese Frequenzen der Relation

^h<^F1 - ^F2> ^{= E}v 25

Cjenügen und

- durch eine optische Einrichtung, die die beiden von den Lichtquellen emittierten Strahlungen kolinear macht und die kollnearen Strahlungen auf den Behälter ausrichtet.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsyemäße Vorrichtung in den verschiedensten Bereichen der

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fNSPECTED

• 4

U „ *

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Physik und insbesondere der Spektroskopie Anwendung finden können, stellt die Isotopentrennung einen besonders bevorzugten Anwendungsbereich dar. In der Tat genügt es, um eine derartige Trennung zu erreichen, an den Vorgang der selektiven Erregung gemäß der Erfindung einen Vorgang oder Verfahrensschritt anzuschliessen, der geeignet ist, die Moleküle unter dem Kriterium ihrer Schwingungserregung zu trennen. Dies kann mit jeder bekannten geeigneten Einrichtung erfolgen, insbesondere durch Photodissoziation, wenn die Mischung einer optischen Strahlung ausgesetzt ist, die geeignet ist, lediglich die erregten Moleküle in einen Dissoziationszustand zu bringen, oder durch eine chemische Reaktion', wenn diese Reaktion so gewählt wird, daß ihre Aktivierungsenergie in der Nähe der Erregungsenergie der einzelnen Moleküle liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen im folgenden anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung

des Mechanismus bei der Raman-Diffusion; 25

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Mechanismus bei der induzierten stimulierten Raman-Diffusion;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen selektiven Erregungsmechanismus ;

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Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vornahme der selektiven Erregung;

Fig. 5 ein Spektrum, das mit einer Mischung aus zwei Isotopenmannigfaltigkeiten von Schwefelhexafluorid erhalten worden ist;

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Isotopen

trennung;

Fig. 7 eine spezielle Ausführungsform einer derartigen

erfindungsgemäßen Anordnung; und in 15

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Stufenmechanismus, der zu einer Dissoziation führen kann.

Zunächst einmal darf mit Nachdruck darauf hingewiesen werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht darin besteht, nicht linear zwei Strahlungen mit den Frequenzen F₁ und F„ zu kombinieren, um vorher eine Strahlung mit der Frequenz F. - F„ zu erzeugen, die mit der Größe E /h zusammenfällt, dann die Isotopenmischung dieser Strahlung mit der Frequenz F₁ - F₂ auszusetzen, um dasjenige der Isotopen oder Nuklide zu erregen, das eine Absorptionsbande mit der Frequenz E /h besitzt. Ein derartiges Verfahren wäre zwar denkbar, würde jedoch wenig Bedeutung besitzen, da sein Wirkungsgrad bzw. seine Leistungsfähigkeit extrem gering wäre. In der Tat weiß man, daß die Umwandlung von zwei Strahlungen mit den Frequenzen F₁ und F₂ in eine Strahlung mit der Frequenz F₁-F₂ die Verwendung eines nicht linearen Kristalls erfordert

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und daß der erhaltene Umwandlungsanteil extrem gering ist und niedriger als 1 % liegt.

Demgegenüber erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren · die Kombination der Strahlungen mit den Frequenzen F.. und Fy im Inneren des bereits erregten Mo3.oküls, und zwar durch einen sehr speziellen Mechanismus, bei dem es sich um die induzierte stimulierte Raman-Diffusion handelt, wobei die dann erhaltene Umwandlung wesentlich bedeutsamer ist, da man dann ungefähr einen Anteil von 50 % erreichen kann.

Um diesen wesentlichen Aspekt der Erfindung besser deutlich und verständlich zu machen, erscheint es angebracht, einige Bemerkungen zum Raman-Effekt und insbesondere dazu zu machen, was man unter induzierter stimulierter Raman-Diffusion versteht.

Es ist bekannt, daß die winkelmäßige Verteilung einer Lichtstrahlung beim Durchgang durch Materie modifiziert wird, was zur Entstehung von Diffuserstrahlung führt. Diese Strahlung besitzt im allgemeinen die gleiche Frequenz wie die einfallende Strahlung. Es handelt sich dann um den Effekt der Rayleigh-Diffusion oder -Streuung. In bestimmten Fällen wird jedoch ein Teil der einfallenden Strahlung in eine bestimmte Anzahl von diskreten Frequenzen gestreut, von denen einige niedriger und andere höher als die Frequenzen der einfallenden Strahlung sind. Erstere werden als "Stokes-Linien" und die anderen als "Anti-Stokes-Linien" bezeichnet. Das Auftreten dieses Spektrums von Spektrallinien in der Streustrahlung stellt den Raman-Effekt dar.

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Ein vereinfachtes Modell zur Erläuterung dieses Phänomens kann mit Hilfe des Schemas nach Fig. 1 gegeben werden. In diesem Schema sind einige Energieniveaus eines Moleküls eingetragen: Ein Niveau S„ entspricht dem Grundzustand des Moleküls, und die Schwingungsniveaus S_Q sind dem Grundzustand zugeordnet. Bei dem Vorgang der Raman-Diffusion oder -Streuung erleidet das Molekül einen doppelten Vorgang, und zwar bringt der erste Vorgang das Molekül aus dem Grundzustand S_n in einen höheren Zustand S durch Absorption eines Photons mit der Energie hF.. , während der zweite Vorgang das Molekül wieder aus dem Zustand S herausbringt und es in einen der Schwingungszustände S_n überführt. Man erkennt, daß der Zustand S im allgemeinen nicht stationär ist (wie beispielsweise beim Mechanismus der Fluoreszenz, wo der obere Zustand ein elektronisch erregter Zustand ist), so daß der übergang in den Zustand S in gewisser Beziehung virtuell ist.

Das vom Molekül re-emittierte Photon besitzt eine Energie hF , wobei die Frequenz F höchstens gleich der Frequenz F,. ist und die Gleichheit der Frequenzen dann gegeben ist, wenn das Molekül direkt aus dem Zustand S in den Grundzustand S_n zurückkehrt. Die Energiedif-

2!5 ferenz zwischen der Energie hF. des einfallenden Pho-

und der Energie hF des gestreuten Photons repräsentiert die Energie E des Schwingungsniveaus, z dem der übergang stattfindet. Die Spektrallinie, die der Energie hF entspricht, ist somit eine Stokes'se Spektrallinie, da die Beziehung hF < hF gilt.

S I

Wenn das einfallende Photon auf ein Molekül trifft, das sich bereits in einem Schwingungszustand befindet,

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so wird das Molekül in einen höheren Zustand S¹ gebracht, von wo es gegebenenfalls direkt in den Grundzustand S„ zurückkehren kann. In diesem Falle übersteigt die liner-

gie hF des gestreuten Photons die Energie hF₁ des as ι

einfallenden Photons, und man erhält eine anti-Stokes'sehe Linie. Dieser Vorgang ist schematisch im rechten Teil der Fig. 1 dargestellt.

Die Gesamtheit von Stokes-Linien und Anti-Stokes-Linien stellt das Raman-Spektrum des Materials dar. Jede Spektrallinie ist in Wirklichkeit eine Bande, da jedes Schwingungsniveau des Moleküls mit einer Familie von Rotationsniveaus verknüpft ist, die mehr oder weniger stark aufgelöst sind und die bei den übergängen einem von Null verschiedenen Wert liefern.

Wenn die Strahlungsdichte beträchtlich wird, so tritt ein Stimulations-Effekt auf, der die Emission von Raman-Spektrallinien verstärkt. Dieses Phänomen tritt hauptsächlich bei den Stokes-Übergängen auf, die den größten Raman-Wirkungsquerschnitt besitzen. Beispielsweise ist im Falle eines Moleküls vom Typ MF _ß derjenige Übergang bevorzugt, der in den Schwingungszustand v. übergeht.

Wenn man einen anderen stimulierten übergang erreichen will als den, der sich natürlicherweise einstellen will (beispielsweise im Falle eines Moleküls MF^ einen übergang (v_ + v.), der sich vom übergang V₁ unterscheidet), so ist es erforderlich, diesen Übergang mittuls einer zweiten Einfallsstrahlung zu induzieren, deren Frequenz dem gewünschten übergang entsprechen muß.

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-urin Fig. 2 sind die ins Spiel gebrachten Übergänge schematisch dargestellt: Der erste Übergang entspricht einer Absorption eines Photons mit der Energie hF₁ und der zweite Übergang entspricht einer induzierten stimulierten Emission eines Photons mit der Energie hF₂· Das Molekül befindet sich dann wieder in einem Schwingungszustand, der sich vom Grundzustand um E unterscheidet. Dieser Vorgang mit zwei Photonen stellt die sogenannte induzierte stimulierte Raman-Diffusion dar. Sie ist fundamental mit der Resonanzbodiiigung hF. - hF = E verknüpft. Dieser Vorgang führt zu sehr bedeutenden Umwandlungen der Einfallsenergie in Diffusions- oder Streuenergie.

Außerdem darf noch darauf hingewiesen werden, daß dann, wenn das Molekül das einfallende Photon absorbiert, obwohl es sich bereits in einem Schwingungszustand befindet und wenn es dann bei Abklingen der Erregung direkt in den Grundzustand übergeht (es handelt sich dabei um den auf der rechten Seite in Fig. 2 dargestellten Vorgang) , so erhält man eine Anti-Stokes-Linie. Die Bedeutung dieses Vorgangs besteht darin, daß er es ermöglicht, eine Messung der Besetzungsdichte des Schwingungszustandes vorzunehmen, da ja die Intensität der Anti-Stokes-Linie, die diesem Zustand entspricht, direkt von der Zahl der Moleküle abhängt, die sich in diesem Zustand befinden.

Der Effekt der induzierten stimulierten Raman-Diffusion 0 oder -Streuung ist an sich bekannt und war Gegenstand von theoretischen und experimentellen Arbeiten. Diesbezüglich darf verwiesen werden auf einen Artikel von

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P. Regnier et al, veröffentlicht in der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 23, 240, 1973. Die Erfindung besteht in einer speziellen Anwendung dieses Phänomens zur selektiven Erregiing einer Tsotopenmannigfaltigkeit eines Körpers.

Nachdem diese vorbereitenden Punkte erläutert worden sind, soll das erfindungsgemäße Verfahren, das in Fig. 3 schematisch angedeutet ist, näher erläutert werden. Zunächst einmal wählt man für den betrachteten Körper einen Schwingungszustand v, dessen Energie von der Masse des Moleküls abhängt. Diese Wahl stellt für den Fachmann kein Problem dar, da eine ganze Anzahl von Arbeiten sämtliche Charakteristika der verschiedenen Schwingungsmoden der meisten einfachen Moleküle angeben. Die Arbeit von G. Herzberg mit dem Titel "Infra-red and Raman Spectra of Polyatomic Molecules", herauatjiHjebeii von Van Nostrand, stellt ein Beispiel dar.

Die Energie dieses Zustands beträgt gegenüber dem Grundzustand (E )₁ für ein Isotop I. und (E )„ für ein zweites Isotop I₂* Mit anderen Worten, die für den Zustand ν charakteristische Bande ν ist einer spektralen Isotopenverschiebung zugeordnet. Sämtliche Banden weisen nicht diese Verschiebung auf. Dazu gehören die, die mit den Schwingungsmoden des vollständig symmetrischen Moleküls verknüpft sind und die aufgrund dieser Tatsache nicht von der Masse des Zentralatoms abhängen. Dies ist insbesondere der Fall bei der Biimlo v, der Moleküle vom Typ Mt¹C- Andererseits sind die aktiven, Jm Infrarot bereich getrennten Banden v-, und v. der Moleküle dieses Typs jeweils einer spektralen Verschiebung zugeordnet. Die Raman-aktive Kombinationsbande (v., + ν .) stellt eine

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Kumulation dieser beiden Verschiebungen dar und bildet somit eine für diese Anwendung besonders geeignete Bande,

Sobald der Schwingungszustand gewählt ist, um diese erste Bedingung zu erfüllen, bestimmt man anschließend die Energie E der entsprechenden Raman-aktiven Bande, was für den Fachmann ebenfalls kein Problem darstellt, da sie entweder bereits in den Tabellen der Spezialveröffentlichungen vorhanden ist, oder aber durch Raman-Spektroskopie gemessen werden kann.

Sobald die Energie E bekannt ist, wählt man schließlich zwei Lichtquellen, vorzugsweise Laser, bei denen die fntupruchenden Frequenzen F₁ bzw. F„ dor Strahlungen solche Werte aufweisen, daß die folgende Relation erfüllt ist:

^h<^Fi - V ⁼ V

Da diese Resonanzfrequenz nur für das Isotop I₁ erfüllt ist, ist seine Erregung gewährleistet, während sie für die anderen Isotopen ausgeschlossen ist. Es findet somit eine selektive Erregung der Isotopenmannigfaltigkeit I₁ statt.

Kino vor.! eLnorte Theorie des Phänomens der induzierten yUiniuliertion Raman-Diffusion oder -Streuung zeigt, daß die Wellenvektoren, die den einfallenden Strahlungen mit den Frequenzen F₁ und F entsprechen, im wesentlichen kolinear sein müssen. Auf experimenteller Ebene bedeutet dies, daß die Lichtbündel, die auf die Isotopenmischung gerichtet werden, ihrerseits im wesentlichen kolinear sein oder gemacht werden müssen.

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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgeiuäßen Verfahrens ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Die Isotopenmischung ist in einem Behälter 2 enthalten, bei dem mindestens eine Fläche oder Seite 4 transparent ist. Ein erster Laser 6 emittiert ein Lichtbüridol 8_r das mittels eines Spiegels 10 auf den Behälter 2 ausgerichtet wird. Ein zweiter Laser 12 emittiert ein Lichtbündel 14, das ebenfalls durch den Spiegel 10 hindurch auf den Behälter 2 ausgerichtet ist. Der Spiegel 10 muß somit für zwei Farben durchlässig sein. Der Laser 6 ist beispielsweise ein Rubinlaser, der Lichtinipulse mit einer Wellenlänge von 6943 Ä emittiert, und der Laser 12 ist ein Farblaser mit einstellbaren Wellenlängen, die durch nicht dargestellte, aber bekannte Einrichtungen einstellbar sind. Er arbeitet ebenfalls mit Lichtimpulsen. Es kann vorteilhaft sein, einen Teil des Lichtbündels 8 abzugreifen, um den Farblaser 12 optisch zu pumpen. Zu diesem Zweck ist dann ein halbdurchlüssiger Spiegel 16 in der Bahn des J₁LcIU-bündeis 8 angeordnet. Auf diese Welse entsteht ein auf den Laser 12 ausgerichtetes Lichtbündel 18. Gegebenenfalls ist der Behälter 2 mit einem zweiten transparenten Fenster 20 versehen und an ein Dämpfungsfilter 22 und einen Spektrographen 24 angeschlossen. Dieser Spektrograph 24 ermöglicht es, das Raman-Spektrum des Materials aufzunehmen und insbesondere die Intensität der Anti-Stokes-Linie zu bestimmen, die dem erregten Schwingungszustand entspricht. Eine derartige Messung ermöglicht es, die Einstellung der Frequenz des Farblasers zu überwachen.

Die in Fig. 4 wiedergegebene Anordnung könnt ο erfolgreich unter folgenden Voraussetzungen einqenciLzt werden:

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Dor Laser 6 war ein Rubinlaser, der Impulse mit maximaler Leistung von 2,5 GW emittierte und zwar mit einer Dauer von 2 ns und bei einer festen Frequenz, die einer Wellenzahl von 14 403 cm" entspricht; die Hälfte der emittierten Leistung, also 1,2 GW, diente dazu, einen geeigneten Farblaser zu pumpen, der das Färbemittel DOTCI verwendete. Der zweite Laser lieferte Impulse mit der Spitzenleistung von 0,5 GW mit einer Dauer von 2 ns; die spektrale Breite war geringer als 0,8 cm und die emittierte Bande war in einem Bereich von

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300 cm um einen Mittelwert von 12 833 cm einstellbar. Dor Behälter war ein Rohr von 1 m, das mit Schwefelhexafluorid SF, bei einem einstellbaren Druck gefüllt war, der zwischen 0 und 22 bar liegt. Am Ausgang des Behälters wurden die Erreger-Wellenlängen gefiltert und nur die Anti-Stokes-Emission erreichte den Spektrographen 24, bei dem es sich um einen Czerny-Turner-Spektrographen mit einem Auflösevermögen von 20 000 handelte.

Mit einer derartigen Anordnung wurden Messungen für die Kombinationsbaiide (υ-. + ν.) von SF, durchgeführt, die Raman-aktiv ist und die eine Kumulation der Isotopenverschiebungen darstellt, die zu den Banden υ_ und

— 1 -1

v. gehören, welche 17 cm und 2,8 cm entsprechen. Es können aber auch andere Raman-aktive Banden verwendet werden, wie z.B. (v_o + v,) oder (v. + v_c). Das verwendete Schwefelhexafluorid enthielt den natürli-

34 32

chen Anteil von 4,4 % an SF, und 95 % SF,, wäh-

33 ^{6 6}

rend das Isotop SF, nur in vernachlässigbar kleinen Mengen vorhanden war. Die Stokes-Verschiebungen und Anti-Stokes-Verschiebungen, die für die Bande (υ η υ.) des Isotops 32 gemessen wurden, besaßen die

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Werte 1570 cm (+ 1 cm ), was der Differenz von zwei

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Wellenzahlen der von den beiden Lasern emittierten Strahlungen entspricht (14 403 - 12 833 = 1570). Die Anti-Stokes-Bande (v_ + v.) tritt in Form eines Duplets

— 1
mit dem Abstand 20 cm auf. Der auf der HuJ te kurzer Wellenlängen befindliche Bestandteil des Duplets entspricht dem Isotop SF_fi, welches in geringerem Meifk· vorhanden ist, während der andere Bestandteil dem

32

SF, entspricht. Das Duplet befindet sich in der Nähe

der zweiten Harmonischen der Anti-Stokes-Bande, die der vollständig symmetrischen Schwingung 2V₁ entspricht. Die relative Anordnung dieser verschiedenen Banden ist gemäß den von der Anmelderin vorgenommenen Messungen schematisch in Fig. 5 dargestellt.

Die Quasi-Koinzidenz zwischen (v_ + v,) und 2V₁ tritt für UF,- nicht wieder auf, wo 2V₁ = 1334 cm und

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(v_ + V₄) = 812 cm gilt, was eine weniger günstige Situation darstellt.

Die Tatsache, daß einer der Laser einstellbar ist, ermöglicht es, die Messungen um die Resonanz durchzuführen. Zu diesem Zweck genügt es, für eine Variation der Frequenz F„ des Farblasers durch Rotation seines Beugungsgitters zu sorgen. Man stellt dann fest, daß die Anti-Stokes-Bande eine abnehmende Intensität zu beiden Seiten eines Maximums besitzt, das dann erhalten wird, wenn die Relation

h(F_T - F₂) = E(V₃ + V₄) 30

erfüllt ist. Da diese Intensität eine direkte Funktion von der Besetzung des Niveaus (v + v.) ist, wie oh bereits oben im Zusammenhang mit dem rechten Teil di.«r

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IMq. 2 erläutert worden ist, so stellt man fest, daß die selektive Erregung bei der Resonanz maximal ist.

Wenn das Verfahren zur selektiven Erregung als erster Verfahrensschritt eines Verfahrens zur Isotopentrennung verwendet wird, so ist es erforderlich, in der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geeignete Einrichtungen vorzusehen, um eine Trennung der Moleküle vorzunehmen, die auf dem Kriterium der Schwingungserregung basiert. Diese Einrichtung kann von jeder bekannten Bauart sein; insbesondere kann sie aus einer Einrichtung zur Photodissoziation bestehen, wie sie in Fig. 6 angedeutet ist. In Fig. 6 erkennt man die optische Anordnung, die bereits im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert worden ist, nämlich die beiden Laser 6 und 12 und den für zwei Farben durchlässigen Spiegel 10. Ferner erkennt man einen Behälter 30 zur Isotopentrennung, der mit einer Mischung von Isotopenmannigfaltigkeiten über eine Zuführungsleitung 32 versorgt wird und an eine Austcittsleitung 36 angeschlossen ist, die in den Behälter 30 mündet. Der Behälter 30 weist zwei transparente Fenster 42 und 44 auf. Das erste Fenster 42 dient zum Hindurchlassen der Strahlungen zur selektiven Erregung, welche von den Lasern 6 und 12 erzeugt werden. Das zweite Fenster 44 ermöglicht die Einführung einer dritten Strahlung, die von einem dritten Laser 46 emittiert wird, dessen Rolle darin besteht, die bereits in den Schwingungszustand mit der Energie E gebrachten Moleküle zu dissoziieren.

Die Energie E der Photonen dieser dritten Strahlung muß so bemessen sein, daß die folgende Ungleichung yilL:

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E +E ^ E₁,
ν ρ d'

wobei E_d die Dissoziationsenergie bezeichnet und wobei ferner

^EP < ^Ed

gelten muß, damit die nicht erregten Moleküle nicht dissoziieren können. Diese doppelte Voraussetzung kann leicht mit einstellbaren Farblasern erfüllt werden.

Eine derartige Anordnung findet bevorzug Iu Anwendung

235 bei der Trennung der beiden Uran-Isotopen U und

238
U, die beispielsweise in Form von Uranhexafluorid auftreten.

In diesem Falle besteht die durch die Austrittsleitung 36 abgezogene Gasmischung aus UF,, welches das Isotop

235

U im Unterschuß enthält, und flüchtigen Dissoziationsprodukten, während sich an den Wänden des Behälters eine feste Phase an angereichertem Uran leicht wiedergewonnen werden kann.

235 feste Phase an angereichertem Uran U anreichert, das

Um die Bedeutung und den Einfluß der heißen Banden zu verringern, ist es möglich, in einem Medium geringer Dichte zu arbeiten, das durch einen Molekularstrahl erreicht werden kann; die Anfangsmischung wird dann komprimiert und anschließend durch ein Rohr 34 entspannt, das in der Achse der Austrittsleitung 36 angeordnet ist, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.

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-JfT-

Gegebenenfalls kann der in der Austrittsleitung 36 zirkulierende Gasstrom für eine erneute Anreicherung wieder in die Trennungsanordnung eingeleitet werden.

VJas die Mittel anbetrifft, um die Trennung der selektiv erregten Moleküle vorzunehmen, so kann man beispielsweise an eine chemische Reaktion denken, die eine Aktivierungsenergie in der Nähe der Energie E besitzt.

In bestimmten Fällen, und insbesondere dann, wenn die Laser zur Erregung der Frequenzen F₁ und F~ sehr leistungsfähig sind, kann man einen schrittweisen oder Stufenmechanismus unterstützen, der dann von allein zu einer Photodissoziation führt, so daß es nicht mehr erforderlich ist, zu diesem Zweck Hilfsmittel zu verwenden. Dieser Stufenmechanismus ist schematisch in Fig. 8 dargestellt.

Das Niveau (\>₃ + v.) kann durch eine intensive Photonenerregung gesättigt sein. Es dient dann als Ausgangsniveau für einen neuen Vorgang der induzierten stimulierten Ranian-Diffusion, der das Molekül auf einen neuen Krregungszustand 2(v-, + υ.) bringt, von dem ausgehend ein neuer Erregungsvorgang stattfinden kann usw. Das Molekül kann dann eine Kontinuums-Dissoziation erreichen.

Dieser Vorgang ist begrenzt durch interne Umwandlungsmechanismen, in deren Verlauf eine Kombinationsschwingung vom Typ n(\>₃ + v,) sich in verschiedene lineare Kombinationen einfacher Schwingungen transformiert und durch Mechanismen, die nicht harmonische Schwingungen auftreten lassen, wobei diese Anharmonizität mit dem

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- 25 Rang n wächst.

Die Emission von Anti-Stokes-Linien tritt als störender Effekt auf, dessen Ausmaß auf einem Minimum zu halten ist. Da jedoch die Emission von AnM-Stokuu-Linien stets wesentlich kleiner (10 ) als die Emission von Stokes-Linien bleibt, beeinträchtigt sie das oben beschriebene Verfahren nicht nennenswert.

Claims (14)

1. ■·./— ;·. 2843636 I)RKAI)OiUI)K-KLUSNKKK

   ~ <$, K 12 445/Sj/tr

   Commissariat ä I¹Energie Atomique 31/33, rue de la Federation

   75015 Paris / Frankreich

   Verfahren und Vorrichtung zur selektiven optischen Erregung einer Isotopenmannigfaltigkeit eines Körpers und Anwendung des Verfahrens

   Patentansprüche

   (i^/Verfahren zur selektiven optischen Erregung von Molekülen einer Isotopenmannigfaltigkeit eines Körpers, die in einer Mischung mit anderen Isotopenmannigfaltigkeiten dieses Körpers enthalten ist, dadurch g e k e η η zeichnet, daß man

   - aus den Raman-aktiven molekularen Schwingungs-Erregungszuständen, die der Körper aufweisen kann, einen Zustand auswählt, dessen Energie E gegenüber dem Grundzustand von der Masse des Moleküls abhängt, - diese Energie E für die zu erregende Isotopenmannigfaltigkeit bestimmt und

   - die Mischung der Isotopenmannigfaltigkeiten einer Bestrahlung mit monochromatischen und kolinearen Lichtbündeln mit den Frequenzen F. und F„ aussetzt, wobei diese Frequenzen der Beziehung

   genügen und h die Planck'sehe Konstante ist.

   . 2543686

   "2-
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man ein erstes Lichtbündel mit einem ersten Laser mit der festen Frequenz F₁ erzeugt und daß man ein zweites Lichtbündel mit einem zweiten Laser mit der einstellbaren Frequenz F„ erzeugt, wobei die Frequenz F- auf den Wert

   ^F2 ^{= F}1 - V^h

   eingestellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Körper eine Uranverbindung verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß als Uranverbindung Uranhexafluorid verwendet wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Körper verwendet wird, der der Formel MF, entspricht, wobei M ein chemisches EIe-

   ment aus der Gruppe ist, die Schwefel, Selen, Tellur, Molybdän und Wolfram umfaßt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß man einen Zustand wählt, der ein Raman-aktiver Kombinationszustand zwischen zwei verschiedenen molekularen Schwingungszuständen ist, wobei mindestens einer dieser beiden Zustände und vorzugsweise beide Zustände einer Isotopenverschiebung zugeordnet sind.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß man als Kombinationszustand den Zustand (v, + v,) verwendet.
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet
   - durch einen Behälter (2, 30), der eine Mischung von Isotopenmannigfaltigkeiten eines Körpers enthält, wobei der Körper molekulare Schwingungs-Erregungszustände aufweist, von denen mindestens einer einer Isotopenverschiebung zugeordnet ist und die Energie dieses Zustands gegenüber dem Grundzustand für eine der isotopenmannigfaltigkeiten gleich E ist, - durch zwei Lichtquellen (6, 12), die monochromatische Strahlungen (8, 14) mit den Frequenzen F₁ bzw. F₂ emittieren, wobei diese Frequenzen der Relation

   genügen und

   - durch eine optische Einrichtung (16, 12, 10), die die beiden von den Lichtquellen (6, 12) emittierten Strahlungen (8, 14) kolinear macht und die kolinearen Strahlungen (8, 14) auf den Behälter (2, 30) ausrichtet.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquellen Laser (6, 12) sind.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der eine Laser (6) ein Festkörperlaser, insbesondere ein Rubinlaser ist, während der

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    andere Laser (12) ein einstellbarer Farblaser ist, der mit einem Teil der vom Festkörperlaser (6) emittierten Strahlung (18) gepumpt wird.
11. 11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auf die Isotopentrennung, dadurch gekennzeichnet , daß man an den Vorgang der selektiven Erregung einer der Isotopenmannigfaltigkeiten einen TrennungsVorgang ausführt und die durch Schwingungen urroyton Moleküle von den nicht erregten Molekülen trennt.
12. 12. Anwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennungsvorgang eine Photodissoziation ist, die darin besteht, die Mischung einer geeigneten optischen Strahlung auszusetzen, um ausschließlich die durch Schwingungen erregten Moleküle in einen Dissoziationszustand zu bringen.
13. 13. Anwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Trennungsvorgang mit einer <:):'.'.' iüchfen Reaktion hervorgerufen wird, die eir.e AJk rivifjrungsenerf/iti in der Mähe der Energie E^ besitzt.
14. 14. Anwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 auf die Trennung von Uranisotopen.