DE3228630A1

DE3228630A1 - Verfahren und vorrichtung zur trennung seltener schwefelisotopen mittels laserstrahlung

Info

Publication number: DE3228630A1
Application number: DE19823228630
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. 8152 Westerham Jetter; Gustav Dr. Meyer-Kretschmar; Gerhard 5170 Jülich Schweizer
Original assignee: Uranit GmbH; Uranit Uran Isotopen Trennungs GmbH
Current assignee: Uranit GmbH
Priority date: 1982-07-31
Filing date: 1982-07-31
Publication date: 1984-02-02
Also published as: AU1745783A; GB2127208A; GB8320245D0; FR2530966A1; JPS5942026A

Description

URANIT Uran-Isotopentrennungs-Gesellschaft mbH

ANR 1384252

Jülich, den 26.7.1982 PLA 824 2 Gb/he

Verfahren und Vorrichtung zur Trennung seltener Schwefelisotopen mittels Laserstrahlung

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung seltener Schwefelisotopen durch isotopenspezifische Dissoziation von gasförmigem Schwefelhexafluorid mittels zweier Infrarotlaser.

Für die Markierung organischer Molekülgruppen wird bei biologisch-medizinischen Untersuchungen das Schwefel-33-Isotop benötigt.

Aufgrund seines hohen Neutronenüberschusses findet das Schwefel-36-Isotop Anwendung bei kernphysikalischen Experimenten.

Da diese Isotope nur mit 0,76 % bzw. 0,015 % im natürlichen Schwefel-Vorkonmen . enthalten sind, ist ihre Abtrennung mit konventionellen Methoden extrem teuer

Setzt man gasförmiges Schwefelhexafluorid (SFg) intensiver Infrarot-Strahlung im WellenlMngenbereich ■λ= 10,um aus, so wird das Gas unter Abgabe von Fluoratomen zu der stabilen Verbindung Schwefeltetrafluorid (SF₄) dissoziiert. Erfolgt der Prozeß bei geringem Druck und mit kurzen intensiven Laserpulsen, so kann die Dissoziation die bevorzugte Abtrennung einer Isotopensorte bewirken. Nach dieser

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Methode wurden bereits wägbare Mengen von isotopenreinem Schwefel-32 hergestellt {lj . Dabei wurde zur Dissoziation ein Atmosphärendruck-CO^-Laser (TEA-Laser) benutzt, der auf der P(20)Linie des 001-10O Übergangs betrieben wurde. Diese Emissionslinie überlappt mit der Absorptionsbande der "V)-,-Schwingung

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im SF,-Molekül. Prinzipiell sollte man erwarten, daß sich das Schwefel-33-Isotop. nach derselben Methode abtrennen läßt, wenn die Fmissionslinie des Lasers mit der entsprechenden Absorptionsbande des SF,-MoIeküls. überlappt. Experimentell wurde jedoch gefunden, daß hierbei nicht nur das gewünschte Isotop, sondern auch in erheblichem Umfang das häufigste Isotop Schwefel-32 mit abgetrennt wurde {2} . Daher läßt sich nach diesem Verfahren die erforderliche Isotopenreinheit nur erzielen, wenn der Prozeß vielfach wiederholt wird.

Bei dem Molekül Osmiumtetraoxid (OsO.), das nur eine kleine Isotopieverschiebung besitzt, konnte eine Verbesserung der Isotopenselektivität erreicht werden, wenn zur Dissoziation zwei Infrarotlaser unterschiedlicher Frequenz benutzt wurden {3] . Die Übertragung dieses Verfahrens auf die Trennung von Schwefelisotopen in SF₆ unter Benutzung von zwei CO₂-TEA-Lasern ergab jedoch nur eine unwesentliche Verbesserung gegenüber der Methode mit dem CO_-TEA-Laser {$] .

Neben der unzureichenden Selektivität ergibt sich beim Schwefel-36-Isotop noch die zusätzliche Schwierigkeit , daß die Absorptionsbande des SF -Moleküls

außerhalb des Emissionsbereichs des CO„-Lasers liegt.

Schließlich führt die geringe Konzentration der interessierenden Isotope zu einer weiteren Schwierigkeit.

Einerseits erfordert die Dissoziation eine Laser-

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fluenz von 5-10 J/cm . Mit vertretbarem Aufwand läßt sich dies nur im fokussierten Laserstrahl erreichen. Dies bedingt eine kurze Wechselwirkungszone. Andererseits wird bei der geringen Konzentration der betreffenden Isotope und dem für das Verfahren erforderlichen geringen Druck die Laserstrahlung nur schwach absorbiert. Daher wären Wechselwirkungszonen von Hunderten von Metern erforderlich, um die Laserphotonen effektiv zu nutzen.

Aufgrund der geschilderten Probleme ist die Übertragung des für Schwefel-32 benutzten Verfahrens auf die Trennung der seltenen Schwefelisotope nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Abtrennung seltener Schwefelisotope aus einem gasförmigen Schwefelhexafluorid-Isotopengemisch mittels Laserstrahlung eine hohe Selektivität zu erzielen.

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Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 enthaltenen Maßnahmen vorgeschlagen; die hierauf bezogene Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen sowie eine geeignete konstruktive Lösung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Methode.

Die Erfindung gestattet es, seltene Schwefelisotope, wie sie für die eingangs erwähnten medizinischen und kernphysikalischen Zwecke derzeit benötigt werden, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu gewinnen.

Die Funktionsweise sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Die Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Apparatur;

die Figur 2 zeigt einen der beiden sphärischen Spiegel mit vorgesetzter Strömungsleitscheibe, gesehen in Richtung des Pfeils "A" der Figur 1.

Die Strahlen eines Hochdruck-CO^-Lasers 1 und eines Atmosphärendruck-C0₂-Lasers 2 (CO„-TEA-Laser) werden mit Hilfe eines Prismas 3 kollinear vereint und durch die Linse 4 in die als Reaktionszelle dienende Durchflußküvette 5 im Reaktionsbereich fokussiert.

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Dabei tritt die Strahlung über ein stirnseitiges Fenster 23 in der Durchflußküvette 5 durch eine Bohrung 24 an der Peripherie eines sphärischen Spiegels 6. Die nach dem Fokus divergente Strahlung wird von einem sphärischen Spiegel 7 auf der gegenüberliegenden Stirnseite der Durchflußküvette 5 auf den Spiegel 6 zurückreflektiert und dabei im Reaktionsbereich zwischen den beiden Spiegeln erneut fokussiert. Der neue Fokus ist gegenüber dem ersten räumlich versetzt. Durch geeignete Wahl der Spiegelparameter und entsprechende Justierung wird die Reflexion und die räumlich zueinander versetzte Fokussierung im Reaktionsbereich zwischen den beiden Spiegeln 6 und 7 vielfach wiederholt. Mit Metallspiegeln aus Kupfer wurde eine 5o-fache Fokussierung realisiert, ohne daß zu große Reflexionsverluste auftraten. Dabei wurde in der Durchflußküvette 5 mit einem Gemisch aus SF, und

₂ mit einem Volumenverhältnis von 5:1 unter ρ = O, 1 -0,2mbar Druck und einer Temperatur von T = 150 K gearbeitet.

Die Wellenlänge des Hochdruck-CO^-Lasers 1 ist in bekannter Weise im Bereich 9,1 - 10,8,um kontinuierlich verstellbar. Für die Trennung des Schwefel-SS-Isotops wird die Wellenlänge λ = 10,644 ,um = 939,5 cm eingestellt. Sie überlappt damit mit dem deutlich ausgeprägten Q-Zweig des Übergangs.

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JkO

Die Emissionspulse haben T=5O ns Dauer und 50 - 100 mJ Energie. Durch eine elektronische Steuereinheit 8 wird der TEA-Laser 2 so getriggert, daß seine Emission ca. 20 ns nach der des ersten Lasers erfolgt. Laser 2 ist auf die P(30)-Linie des 001-100-Übergangs eingestellt. Seine Pulsenergie beträgt ca. 5 J. Infolge der Laserstrahlung wird ein Teil

der SF,-Moleküle zu SF₇, und F-Atomen dissoziiert, b 4

Die Fluoratome reagieren mit Wasserstoff zu Fluorwasserstoff (HF). Mit Hilfe eines Kompressors 9 wird das Gemisch aus SFg, H~, SF. und HF durch eine Falle 10 mit tfaOH + H2O gepresst. Dabei wird das im SF. angereicherte 33g _ai_s Sulfii Lösung gebunden gemäß der Reaktion

im SF. angereicherte 33g _ai_s Sulfit in der wässrigen

SF₄ + 2H₃O —£. SO + 4HF.

Das im Gasgemisch enthaltene HF reagiert ebenfalls mit der Lauge, während SF6 und H2 nicht gebunden werden. Vielmehr wird dieses Gasgemisch im Puffergefäß 11 komprimiert und schließlich über das Reduzierventil 12 wieder in die Durchflußküvette 5 zurückgeführt. Nach einer gewissen Betriebszeit wird über die Ventile 13 und 14 das abgereicherte SF_ß-Gas abgeführt, und über das Ventil 15 frisches Gas mit der natürlichen Isotopenkonzentration zugeführt.

Es hat sich gezeigt, daß sich bei dieser Anregung mit einem kontinuierlich abstimmbaren Hochdrucklaser und einem CO^-TEA-Laser sowohl eine wesentlich höhere Isotopenselektivität als auch eine größere Ausbeute

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ergibt, als bei den früher beschriebenen Methoden.

Dabei ist für den ersten Anregungsschritt die Inten-

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sität (W/cm ) maßgebend, während beim zweiten Schritt die Fluenz (J/cm ) entscheidend ist. Erfindungsgemäß wählt man die Dimensionen der Spiegelanordnung in der Durchflußküvette 5 so, daß durch die Fokus-

2 sierung die Intensität 2-3 MW/cm bzw. die Fluenz

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3-6 J/cm im Wechselwirkungsbereich zwischen den Spiegeln 6, 7 erreicht werden.

Die Verwendung der vielfach fokussierenden Spiegelanordnung stellt eine wesentliche Verbesserung dar. Da die Fokussierung bis zu 50 mal wiederholt werden kann, vergrößert sich das Wechselwirkungsvolumen - und damit der Umsatz pro Laserpuls - in etwa um denselben Faktor gegenüber der einfachen Fokussierung. Entsprechend reduzieren sich die Trennkosten, weil die Kosten der Photonen den entscheidenden Faktor in den Gesamtkosten des Verfahrens darstellen.

Für die Wirksamkeit der vielfach reflektierenden Spiegelanordnung ist eine hohe Reflektivität der Spiegeloberfläche Voraussetzung. Da in der Reaktionszelle als Folge der isotopenselektiven Photodissoziation von SFg die reaktionsfreudige Verbindungen HF und SF₄ entstehen, ist dafür zu sorgen, daß diese Produkte möglichst nicht in den Spiegelbereich gelangen. Hierzu wird das unbestrahlte Gasgemisch über Öffnungen (20) in den Spiegelmitten in die Reaktionszelle eingespeist und das bestrahlte Gas über eine Absaugöffnung

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21 an der Durchflußküvette 5 in der Mitte des Wechselwirkunqsbereichs zwischen den beiden Spiegeln 6, 7 abgepumpt. Durch in Abstand zu den Spiegeln angeordnete Strömungsleitscheiben 22 wird der aus der Spiegelmitte austretende Gasstrom so zur Peripherie hin abgelenkt, daß er parallel zur Spiegeloberfläche gerichtet ist. Die Leitscheiben 22 sind - wie in Fig. 2 skizziert - konzentrisch auf den Spiegeln 6, 7 befestigt. Ihr Durchmesser ist so gewählt, daß die auf einem Kreis liegenden Laserlichtreflexe (25) nicht abgedeckt werden. Da die Fluenz des Laserstrahls in diesem Bereich deutlich geringer ist als in der Wechselwirkungszone, werden hier keine Reaktionsprodukte erzeugt.

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Das am Beispiel der S-Trennung beschriebene Verfahren läßt sich auch auf die Trennung des Schwefel-36-Isotops übertragen. Die entsprechende Absorptionsbande hat jedoch ihr Maximum bei λ= 10,936 ,um (= 914,43 cm" ) und liegt somit außerhalb des Emissionsbereichs herkömmlicher CO₂-TEA-Laser. Zwar läßt sich Emission in diesem Bereich erreichen, wenn der Laser mit der seltenen Isotopenkombination

CO betrieben wird; die Betriebskosten werden dann jedoch so groß, daß eine wirtschaftliche Trennung des Schwefel-36-Isotops nicht durchführbar ist. Durch stimulierte Ramanstreuung in gasförmigem Deuterium kann die Wellenlänge der Laserstrahlung um 179,O4 cm zum Langwelligen verschoben werden.

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Erfindungsgemäß wird zur Trennung der Schwefel-36-Isotope die Strahlung der Laser 1 und 2 mit Hilfe der genannten Ramanverschiebung in ihrer Wellenlänge zum Langwelligen hin verändert, bevor sie mit dem SF,-Gas in Wechselwirkung gebracht wird. Der Hochdruck-C0₀-Laser 1 wird dabei mit der Wellenlänge Λ - = 9,145,Um betrieben, während der CO₂-TEA-Laser 2 auf die R(38)Linie des 001-020 Übergangs abgestimmt wird. Trotz der geringen Ausgangskonzentration ist mit dieser Anordnung eine effektive Abtrennung von Schwefel-36 möglich.

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Literatur:

W.Fuß, W.E.Schmid

Berichte der Bunsengesellschaft 83 (1979)

£2? Baronov, Velikhov, Kolomiishii, Letokhov, Nizler, Pismennyi, Ryabov, Sov. J. Quant. El. 9 (5) (May 1979) Seite 621

\3 j Ambartsumyan, Purzikov, Gorokov, Letokhov, Maharov, Puretskij Opt. Lett. I, 22. (1977)

\4 j Bagratashvili, Kolomiskij, Ryabov, Starodubtsev Sov. J. Quant. El. 10 (5) (May 1980) Seite 628

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Abtrennung seltener Schwefelisotopen durch isotopenspezifische Dissoziation von gasförmigem Schwefelhexafluorid mittels zweier Infrarotlaser, dadurch gekennzeichnet, daß das auf 15O K abgekühlte Gas zunächst mit einem gepulsten, in seiner Wellenlänge kontinuierlich veränderbaren Laser bestrahlt wird, der auf eine scharfe Resonanz im Bereich des Q-Zweigs der Ό--Schwingung des betreffenden Isotops abgestimmt ist und der im Wechselwirkungsbereich eine Intensität von 2-3 MW/cm besitzt, worauf das Gas der Strahlung eines zweiten Lasers unterworfen wird, dessen Emission um 4-6 cm" zu längeren Wellen gegenüber dem ersten Laser verschoben ist und dessen Fluenz im Wechselwirkungsbereich 3-6 J/cm beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Abtrennung von Schwefel-33-Isotopen, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Laser ein kontinuierlich abstimmbarer Hochdruck-C0₂-Laser benutzt wird, der auf die Wellenlänge 10,649 /um abgestimmt ist_/und als zweiter Laser ein CO^-TEA-Laser verwendet wird, der auf der P(30)-Linie des 001-100-Übergangs betrieben wird.

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j ^ ζ 8 ο 3 υ

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Trennung von Schwefel-36-Isotopen, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquellen ein Hochdruck-C0₂-Laser mit der Wellenlänge X .. = 9,145 ,um und ein auf der R(38)-Linie des 001-020 Übergangs emittierender COp-TEA-Laser benutzt werden, deren Wellenlänge durch Ramanstreuung in gasförmigem Deuterium in den für die isotopenspezifische Dissoziation relevanten Bereich transformiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung der beiden Laser kollinear in einer Anordnung sphärischer Spiegel so geführt wird, daß die Strahlen im Gasvolumen mehrfach fokussiert werden und daß somit hohe Intensitäten über eine ausgedehnte Strecke aufrecht erhalten bleiben.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, mit zwei IR-Lasern (1, 2), einer Durchflußküvette (5) als Reaktionszelle, in die die Strahlen der IR-Laser (1, 2) eingeleitet und fokussiert werden, gekennzeichnet durch zwei in der Durchflußküvette (5) einander gegenüber angeordnete sphärische Spiegel (6, 7), die jeweils in der Spiegelmitte eine Öffnung (20) aufweisen, aus der das zu bestrahlende Gasgemisch in den Wechselwirkungsbereich . der Durchf lußküvette (5)

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strömt, sowie eine Absaugöffnung (21) zum Abpumpen des bestrahlten Gasgemisches und der Reaktionsprodukte, die an der Durchflußküvette (5) in der Mitte des Wechselwirkungsbereichs zwischen den beiden Spiegeln (6, 7) angebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor den zentralen Öffnungen der Spiegel (6, 7) und in Abstand zu diesen Stromungsleit scheiben (22) angeordnet sind, die das Gasgemisch zur Peripherie der Spiegel (6, 7) hin umleiten.