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Beschreibung:
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Verfahren zum Trennen von gasförmigen Isotopengemischen und Verwendung
einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Trennen von gasförmigen Isotopengemischen, bei welchem das gasförmige
Isotopengemisch mit einem Gas, welches durch Vibrationsaustausch dem Isotopengemisch
Schwingungsenergie entzieht, vermischt wird, so dass zumindest eines der Isotopengemischbestandteile
durch eine Strahlungsquelle selektiv anregbar und aufgrund der durch diese Anregung
geänderten physikalischen Eigenschaften aus dem Gemisch abtrennbar ist.
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Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens.
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Es gibt Verfahren zur Trennung von Isotopengasgemischen,-bei denen
man sich die Tatsache zunutze macht, dass es möglich ist, mit Hilfe eines abgekühlten
molekularen Gases einem zu trennenden Isotopengemisch rasch Schwingungsenergie zu
entziehen. Dadurch lässt sich in einem anschliessenden Anregungsprozess zumindest
eines der im Gemisch vorliegenden Isotope mit Hilfe eines abgestimmten Lasers mit
einer gegenüber den anderen Laserbestandteilen erheblich erhöhten spektralen Linienselektivität
anregen. Zum Zwecke der Übertragung von
Schwingungsenergie von dem
Isotopengasgemisch auf ein anderes Gas müssen sich dieses Gas und das Gasgemisch
innerhalb weniger Mikrosekunden innig miteinander vermischen; anschliessend muss
das entstehende Gemisch mit einer Geschwindigkeit von einigen 100 m/s dem Raum zugeführt
werden, in welchem das vermischte Gas durch den Laser bestrahlt wird. Es ist unmittelbar
einsichtig, dass an die Art und Weise der Vermischung höchste Ansprüche zu stellen
sind, um erstens innerhalb der geforderten Zeitspanne den Kontakt zwischen möglichst
vielen Molekülen der beiden Gasarten, welche die Schwingungsenergie austauschen,
über den ganzen Kanalquerschnitt zu gewährleisten und zweitens eine entsprechende
Geschwindigkeit ohne lokale Störungen aufrechtzuerhalten.
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Aus der DE-OS 26 51 306 ist ein Verfahren zur Trennung gasförmiger
Isotopenverbindungen bekannt. Bei diesem Verfahren werden einem auf hohe Geschwindigkeit
gebrachten Trägergas weitere Gase bzw. Gasgemische zugemischt. Dabei handelt es
sich um das zu trennende Isotopengasgemisch selbst, dann um das Gas, welches die
Schwingungsenergie übernehmen und daher eine sehr niedrige Temperatur aufweisen
soll (unter 100 K), sowie um das Gas, welches mit dem durch die Laserstrahlung selektiv
angeregten Isotopengas reagieren soll.
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In dem Verfahren sowie in der Einrichtung für das Verfahren ist für
die Beschleunigung des Trägergases eine einfache, schlitzartige Düse vorgesehen,
die in ein Mischrohr einmündet, in welches wiederum Zuführungsleitungen der anderen
Gase einmünden.
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Eine solche Anordnung für die tXischung wird jedoch den an die
Vermischung
gestellten Anforderungen nach homogener und störungsfreier Durchmischung in einer
für die Übernahme der Schwingungsenergie der Isotopengasgemische ausreichenden Zeit
ohne Ausgleich der Schwingungszustände zwischen allen molekularen Gasen nur in geringem
Umfang gerecht, da entweder die Durchmischung nicht im gesamten Mischrohr erfolgt,
oder aber eine ungleichmässige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über den
Rohrquerschnitt mit teilweiser Aufheizung der Strömung infolge von Störungen zustandekommt.
Die genannten Mängel treten dabei nahezu unabhängig davon auf, in welcher Weise
die Zuführungsleitungen der anderen Gase in das Mischrohr münden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Trennen
von gasförmigen Isotopengemischen derart zu verbessern, dass eine effektive Übertragung
der Schwingungsenergie von dem Isotopengemisch auf ein Aufnahmegas infolge einer
effektiven und schnell erreichbaren Vermischung der gasförmigen Isotopen mit dem
Aufnahmegas ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass man das gasförmige Isotopengemisch durch
eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Düsen in einen Mischraum einleitet und
ihm aus einer Vielzahl den Auslässen dieser Düsen benachbarten Auslassöffnungen
das Gas zum Entzug von Schwingungsenergie derart zuleitet, dass die Gasstrome als
eine Vielzahl von im wesentlichen parallel oder unter maximal 450 gegeneinander
geneigten, in einem abwechselnden Muster angeordneten Einzelströmen in den mischraum
eintreten.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens kann erfindungsgemäss eine Vorrichtung
verwendet werden, die gekennzeichnet ist durch einen Mischkörper mit einer Vielzahl
nebeneinander angeordneter Düsen für die Isotopenmischung und einer Vielzahl neben
den Auslässen dieser Düsen angeordneten Auslassöffnungen für das dem Entzug von
Vibrationsenergie dienende Gas.
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Derartige Vorrichtungen sind an sich bereits bekannt ("Performance
of N2/C02 gas-dynamic mixing lasers with various injection techniques, J. of Appl.
Phys. 48, 1977, S. 688 ff).
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Jedoch findet die bekannte Vorrichtung ein verschiedenes Einsatzgebiet,
und zwar dient sie der Vermischunq von N2 einerseits und C02 andererseits, wobei
das Stickstoffgas auf eine Temperatur oberhalb der Dissoziationstemperatur des Kohlendioxids
erwärmt worden ist und nach der Vermischung seine Anregungsenergie auf das kältere
Kohlendioxid übertragen soll, damit in dem Kohlendioxid eine Besetzungsumkehr (Inversion)
erreicht wird, die zu einer Laserleistung führt. Zweck der innigen Vermischung des
Stickstoffes und des Kohlendioxides ist also das Pumpen der Kohlendioxides durch
direkte Energieübertragung.
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Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Isotonentrennung
die Vermischung durchgeführt, um eine Abgabe von Schwingungsenergie aus dem Isotopenqemisch
zu erzielen, damit anschliessend ein bestimmtes Isotop durch Lasereinstrahlung besonders
stark aktivierbar ist.
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Die Problemstellung und die physikalischen Gegebenheiten der Energieübertragung
unterscheiden sich im einzelnen so stark
voneinander, dass die Verwendung
dieser im Zusammenhang mit gasdynamischen nlischungslasern bekannten Vorrichtung
bei Verfahren zur Isotopentrennung nicht naheliegend war.
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Vorteilhafterweise ist der Mischkörper als ebene Platte oder gewölbte
Schale ausgebildet, in welcher in einer regelmässigen Anordnung öffnungen angeordnet
sind, deren Grösse sich nach der Art und Menge der einzelnen Gaskomponenten sowie
nach dem Zustand richtet, in dem die Gaskomponenten vermischt werden sollen. Aus
den Öffnungen strömen die Gaskomponenten parallel oder unter einem geringen Winkel
zueinander aus, um sich danach miteinander zu vermischen. Die Auslassöffnungen für
das die Vibrationsenergie aufnehmende Gas können beispielsweise eine konische Gestalt
aufweisen, wobei über den Konuswinkel und die Tiefe der Öffnung der Zustand der
Gaskomponente am Plattenaustritt beeinflusst werden kann.
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Zweckmässigerweise wird man alle Düsen und Auslassöffnungen als runde
Bohrungen ausführen. Wenn jedoch das Verhältnis zwischen dem Volumen der Isotopenmischung
und dem der anderen Gase sehr gross wird, kann es auch sinnvoll sein, die durchgehenden
Düsen als parallel nebeneinander gestellte, schlitzartige Düsen auszuführen und
die Auslassöffnungen für die anderen Gaskomponenten auf den Stegen zwischen den
Düsen anzuordnen. Andererseits kann es aus fertigungstechnischen Gründen sinnvoll
sein, die Düsen für die Isotopenmischung rotationssymmetrisch und die Auslassöffnungen
schlitzartig oder auch sämtliche Düsen und Austrittsöffnungen schlitzartig zu gestalten.
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Da die einzelnen Gaskomponenten schon heim Einstrcmen in die Gasversorgungskanäle
unterschiedliche Temperaturen aufweisen müssen, kann es von Vorteil sein, den Mischkörper
aus einem Material mit geringer Wärmeleitfahigkeit zu gestalten, um einen vorzeitigen
Wärmeaustausch zu vermeiden. Auch kann es vorteilhaft sein, über zusätzliche Kanäle
den Mischkörper mit einem Kühlmedium zu kühlen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugt er Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen: Fig.
1 eine perspektivische Teilansicht eines teilweise aufgeschnittenen #1ischungskörpers;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführunqsbeispiels eines Mischungskörpers
und Fig. 3 eine nerspektivische und schematische Ansicht eines weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispiels eines Mischungskörpers .
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In den Fig. 1 und 2 ist ein im wesentlichen plattenförmiger, mit einer
Wandflä.che 2 an ein Reservoir 3 und mit der gegenüber liegenden Wand fläche 4 an
einen Mischraum 5 angrenzender Mischkörper 1 dargestellt. In regelmässigen Abständen
verbinden Kanäle 6 das Reservoir 3 mit dem Mischraum 5. Dio Querschnittsfläche
dieser
Kanäle 6 ist dabei zwischen dem Einlass 7 und dem Auslass 8 derart ausgebildet,
dass ein engster Querschnitt 9 mit einem Durchmesser auftritt, der in praktischen
Ausführungsbeispielen Bruchteile eines jMillimeters betragen kann.
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Die Kontur zwischen engstem Ouerschnitt 9 und Auslass 8 kann gerade
(Fig. 1), konkav oder konvex (Fig. 2) gekrununt sein.
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Zwischen diesen Kanälen 6 sind innerhalb des Mischkörpers 1 in dessen
Ebene verlaufend weitere Gaszufuhrkanäle 10 angeordnet, die mit Zuleitungen 11 am
Rand des Mischkörpers in Verbindung stehen. Diese Zuleitungen 11 sind über Leitungsabschnitte
12 mit dem Mischraum 5 verbunden. Die Austrittsöffnungen 13 der Leitungsabschnitte
sind relativ zu den Auslässen 8 in einem regelmässigen Muster angeordnet, so dass
an jeweils eine Austrittsöffnung vier Auslässe angrenzen und umgekehrt.
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In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Leitungsabschnitte
12 über ihre gesamte Länge einen gleichmässigen Querschnitt, sie können jedoch auch
konisch ausgebildet sein, so dass die Querschnittsfläche an den Kanälen 10 verschieden
ist von der Querschnittsfläche der Austrittsöffnungen 13. Im Gegensatz zu der Darstellung
der Fig. 1, in welcher die Kanäle 6 und die Leitungsabschnitte 12 parallel verlaufen,
können die Achsen der Leitungsabschnitte gegenüber den Achsen der Kanäle 6 auch
um bis zu 45 geneigt sein.
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In der Darstellung der Fig. 1 ist ein Ranalquerschnitt dargestellt,
bei dem der Querschnitt vom Einlass 7 bis zum engsten Querschnitt 9 kontinuierlich
abnimmt, während er vom engsten
Querschnitt 9 bis zum Auslass 8
kontinuierlich zunimmt. Demgegenüber unterscheidet sich der in Fig. 2 nur teilweise
dargestellte Mischkörper im wesentlichen dadurch, dass die Wände des Kanals 6 konvex
gekrümmt sind. Durch die Formgebung der Kanalwandung und durch Grösse und Positionierung
des engsten Querschnittes können die Strömungsgeschwindigkeiten in der gewünschten
Weise eingestellt werden.
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Zusätzlich können in dem Mischkörper noch Leitungen 14 vorgesehen
sein, durch die zur Kühlung des Mischkörpers ein geeignetes Kühlmedium geführt werden
kann.
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In Fig. 3 ist ein Mischkörper 21 dargestellt, der ebenso wie der in
den Fig. 1 und 2 dargestellte slischkorner 1 mit einer ersten Wandfläche 22 an ein
nicht dargestelltes Reservoir und mit einer zweiten Wandfläche 24 an einen ebenfalls
nicht dargestellten Mischraum angrenzt.
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Zur Verbindung des Reservoirs mit dem Mischraum sind schlitzförmige
Kanäle 26 mit einem schlitzförmigen Einlass 27 und einem schlitzförmigen Auslass
28 vorgesehen, die zwischen Einlass und Auslass einen engsten Querschnitt 29 aufweisen.
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Diese Kanäle 26, von denen in der Ausschnittsdarstellung der Fig.
3 nur zwei gezeigt sind, verlaufen parallel zueinander.
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Im Bereich zwischen benachbarten Kanälen 26 befinden sich im Mischkörper
Kanäle 30, die über Leitungsabschnitte 32 mit Austrittsöffnungen 33 in Verbindung
stehen, welch letztere neben den schlitzförmigen Auslässen 28 der Kanäle 26 angeordnet
sind. In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich zwischen
jeweils zwei schlitzförmigen Auslässen 28
zwei Reihen von Austrittsöffnungen
33.
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Auch in diesem Mischkörper können sich Leitungen 14 für ein Kühlmedium
befinden, die in der Darstellung der Fig. 3 nicht gezeigt sind.
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Die Querschnittsform der Kanäle 26 ist entsprechend der Ouerschnittsform
der Kanäle 6 derart gewählt, dass sich die gewünschten Eigenschaften des austretenden
Gasstromes ergeben.
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Vorteilhafterweise werden die Mischkörper aus einem Material mit geringer
Wärmeleitfähigkeit hergestellt, so dass sich im Mischkörper kein wesentlicher Temseraturausgleich
ergibt, wenn man Gase verschiedener Temperatur durch den Mischkörper leitet.
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Im Betrieb befindet sich in dem Reservoir 3 die gasförmige Isotopenmischungr
in der Regel zusammen mit einem Trägergas.
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Diese Gasmischung wird durch die verengten, eine Beschleunigungsdüse
bildenden Kanäle 6 bzw. 26 hindurchgeleitet, wobei die Kanalauerschnitte in der
Regel so gezählt sind, dass Uberschallströmungsgeschwindigkeiten erzielt werden.
Die Gasmischung tritt damit in den Mischraum in Form einer Vielzahl im wesentlichen
parallel verlaufender Einzelströme ein.
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Durch die Kanäle 10 bzw 30 wird das dem Entzug von Schazingungsenergie
dienende Gas zugeführt, welches ebenfalls in Form von Einzelströmen aus den Austrittsöffnungen
13 bzw. 33 austritt.
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Durch die Anordnung der Austrittsöffnungen zwischen den Auslässen
der Kanäle 6 bzw 26 ergibt sich eine sehr grosse Kontaktfläche zwischen den aus
dem Mischkörper aus strömenden
Einzelströmen und damit eine ausgezeichnete
Vermischung dieser Gase. Die Durchmischung ist so qut, dass innerhalb einer Strecke
von wenigen Durchmessern der grossten Austrittsöffnung ourchmischung und Vibrationsenergieübertragung
stattfinden. Der genaue Betrag hängt wesentlich von der geförderten Gasart, der
Geschwindigkeitsdifferenz der einzelnen Gasströme, der jeweiligen Gasmenge sowie
dem Druck bei der Vermischung ab. Bei Versuchen hat sich eine teilweise Durchmischung
und eine Energieübertragung bereits nach weniger als 10, die maximale Energieübertragung
nach ca.
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30 Durchmessern der grössten Austrittsöffnung ergeben. Mit Ausnahme
der nicht vermeidbaren Wandgrenzschichten war danach die Verteilung aller Zustandsgrössen
über den Kanalquerschnitt praktisch gleichförmig, starke gasdynamische Stösse traten
nicht auf.
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Durch die freie Wahl der Anordnung der öffnungen der einzelnen Gasströme
zueinander, der Grösse der Austrittsöffnungen, des Verhaltnisses zwischen kleinstem
Ouerschnitt und Austrittsquerschnitt und evtl. einer geringen Neigung der Strömungsachse
des einen Gasstromes zum anderen lässt sich für beliebige Gase und Gasmengen eine
für die Mischung und die dabei erfolgende Vibrationsenergieübertragung optimale
Temperatur und Geschwindigkeit vorgeben.
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Schliesslich ist ein weiterer Vorteil in der einfachen Herstellbarkeit
der Mischeinrichtung zu sehen.