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Die vorliegende Erfindung hat zum Gegenstand eine
Vorrichtung zur Verteilung von Laserbündeln, die in einem
Verfahren zur Isotopentrennung durch Laser verwendet werden. Sie ist
insbesondere bei selektiven Reaktionen wie der
Isotopentrennung von Urandampf durch Laser anwendbar.
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In einer Vorrichtung zur Isotopentrennung regt man
selektiv eine isotope Spezies an, die in einem Dampfstrom enthalten
ist, und isoliert dann diese angeregte Spezies, beispielsweise
durch Photoionisation.
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In den bekannten Vorrichtungen zur Verteilung von
Laserbündeln, die bei den Reaktionen der Isotopentrennung verwendet
werden, wie den in der französischen Patentanmeldung Nr.
8 504 827 vom 29. März 1985 beschriebenen, haben die Bündel
zur selektiven Anregung und zur Photoionisation notwendig
verschiedene Polarisation in der Bestrahlungszone. Sie sind
senkrecht zueinander polarisiert, wenn sie linear polarisiert
sind, oder rechts und links polarisiert, wenn sie zirkular
polarisiert sind.
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In Abb. 1 sieht man eine Vorrichtung nach der bisherigen
Technik. Bündel Se und St, zur Anregung bzw. zur
Photoionisation, mit senkrechter Polarisation, werden überlagert und mit
Hilfe eines ersten Glan-Prismas 15 zu einem Reaktionsbehälter
10 gelenkt. Das Bündel Se kann mehrere Bündel mit mehreren
verschiedenen Wellenlängen enthalten. Die
Absorptionsquerschnitte für das Bündel Se und für das Bündel St sind
verschieden, das Bündel Se wird mehr absorbiert als das Bündel
St. Nach mehreren Durchgängen durch den Behälter ist das
Bündel Se stark abgeschwächt, und der Prozeß der selektiven
Reaktion ist nicht mehr wirksam. Das verbliebene Bündel St wird zu
einem zweiten Glan-Prisma 15 geschickt und von neuem einem
Bündel Se überlagert, das von einer nicht dargestellten
Laserquelle stammt. Nach dem Durchtritt durch das zweite
Glan-Prisma 15 werden die überlagerten Bündel Se+St in den Behälter
geschickt und so fort bis zur vollständigen Absorption des
Bündels St. Entsprechend den gewählten atomaren Übergängen ist
die Tatsache ungüstig, daß die Polarisationen der Bündel durch
die Vorrichtung festgelegt sind.
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Andere Vorrichtungen, die die Bündel mit Hilfe von
geeigneten,
teilweise reflektierenden Spiegeln verteilen, wurden
untersucht, um diesen Nachteil zu beheben. Die Wahl der
Polarisationen ist frei.
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In Abb. 2 ist eine derartige Anordnung einer Vorrichtung
dargestellt, die teilweise reflektierende Spiegel benutzt. Das
Bündel zur selektiven Anregung Se, das mehrere Bündel mit
verschiedenen Wellenlängen enthalten kann, wird einem Bündel St
zur Photoionisation überlagert. Die überlagerten Bündel werden
durch einen ersten, teilweise reflektierenden Spiegel M1 in
zwei Teile P1 und P2 geteilt. Der Teil P1 wird zu dem
Reaktionsbehälter 10 gelenkt. Der Teil P2 wird über
Synchronisationseinrichtungen 16 auf einen zweiten, teilweise
reflektierenden Spiegel gelenkt. Der Teil P1 wird für mehrere Durchgänge
ins Innere des Behälters 10 geschickt. Wenn der Fluß des
Bündels St gleich dem Sättigungsfluß für die Wellenlänge dieses
Bündels ist, d.h. wenn die Zahl der Photonen pro Impuls pro
Flächeneinheit bei der Wellenlänge der Photoionisation gleich
ist dem reziproken Absorptionsquerschnitt für diese
Wellenlänge, dann wird der verbliebene Teil von P1 dem Teil P2
überlagert, der von dem teilweise reflektierenden Spiegel M1
herkommt. Die Impulse von P1 und P2 werden durch
Synchronisationseinrichtungen 16 synchronisiert.
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Ein zweiter, teilweise reflektierender Spiegel M2 teilt
die Bündel P1 und P2, die von dem teilweise reflektierenden
Spiegel M1 herkommen, in zwei Teile.
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Die Wahl der Reflexionskoeffizienten der teilweise
reflektierenden Spiegel, der Länge des Weges im Behälter
zwischen zwei Spiegeln und der Zahl dieser Spiegel gestattet es,
die Energie der verschiedenen Laserbündel am besten zu nutzen.
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In dieser Art Vorrichtung ist die Wirksamkeit begrenzt
durch die Bildung von Interferenzen zwischen dem verbliebenen
Teil von P1 und dem Teil P2 der Bündel bei ihrer Überlagerung.
Diese Interferenzen zerstören die räumliche Homogenität der
Bündel, die für den guten Ablauf des Extraktionsprozesses
notwendig ist.
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Die vorliegende Erfindung gestattet es, jede Interferenz
zwischen den Bündeln zu beseitigen, wobei sie die Wahl der
Polarisationen der verschiedenen Bündel völlig frei läßt.
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Die vorliegende Erfindung gestattet es auch, die
Intensitätswerte der Bündel an die verschiedenen Werte der
Absorptionsquerschnitte bei den verschiedenen benutzten Wellenlängen
anzupassen.
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Von FR-A-2 341 873 her kennt man eine Vorrichtung zur
Kombination von Laserbündeln verschiedener Frequenzen für eine
Anwendung auf die Isotopentrennung.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Gegenstand eine
Vorrichtung zur Verteilung von Laserbündeln, die in einem
Verfahren der Isotopentrennung durch Laser benutzt werden, in
Übereinstimmung mit dem einzigen Patentanspruch.
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Die dichroitischen Spiegel verhalten sich wie Filter. Ein
erster Teil der überlagerten Bündel, die im Extraktionsprozeß
benutzt werden, wird für eine Bahn, die mehrere Durchgänge
durch den Behälter umfaßt, zu dem Reaktionsbehälter gelenkt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform dieser Vorrichtung
überlagert man, wenn der Fluß eines der Bündel gleich ist dem
Fluß bei Sättigung, einen neuen Teil dieses Bündels den
Bündeln, die bereits den Behälter durchquert haben. Diese
Überlagerung wird mit Hilfe eines geeigneten dichroitischen Spiegels
ausgeführt, der es gestattet, die Bündel zu reflektieren, die
den Behälter durchquert haben und deren Fluß größer ist als
der Fluß bei Sättigung. Nach der Erfindung wird der
dichroitische Spiegel so gewählt, daß er das Bündel durchläßt, dessen
Fluß gleich dem Fluß bei Sättigung ist, und daß er die
Überlagerung eines neuen Teils dieses Bündels mit den anderen
Bündeln gestattet, deren Fluß größer als der Fluß bei Sättigung
ist. Die Intensität des neuen Teils des Bündels ist derart,
daß der Fluß dieses neuen Teils des überlagerten Bündels
größer ist als der Fluß bei Sättigung.
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Diese Einrichtung zur Überlagerung der Bündel gestattet
gut, die Erzeugung von Interferenzen zwischen dem verbliebenen
Teil des Bündels, dessen Fluß gleich ist dem Fluß bei
Sättigung, und dem neuen Teil des Bündels zu vermeiden.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden
besser aus der nun folgenden Beschreibung hervortreten, die
allein zur Beschreibung und ohne Beschränkung gegeben wird,
wobei auf die beigefügten Abb. 3 und 4 Bezug genommen wird.
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Darin stellt
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- Abb. 3A die Kurven des Reflexionskoeffizienten zweier
dichroitischer Spiegel in Abhängigkeit von der Wellenlänge
dar,
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- Abb. 3B stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar,
die drei Laserbündel verteilt,
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- Abb. 4A stellt Kurven des Reflexionskoeffizienten
zweier dichroitischer Spiegel in Abhängigkeit von der Wellenlänge
dar, und
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- Abb. 4B stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar,
die vier Laserbündel verteilt.
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Die Abb. 3A stellt die Kurven des Reflexionskoeffizienten
zweier dichroitischer Spiegel in Abhängigkeit von der
Wellenlänge dar.
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Die zwei Kurven Ra und Rb zeigen eine sehr ausgeprägte
Flanke und gehen damit sehr direkt, wenn die Wellenlänge
zunimmt, vom einen Zustand, wo das Reflexionsvermögen Null ist,
in einen Zustand über, wo das Reflexionsvermögen total (100%)
ist. Die zwei dichroitischen Spiegel, die diesen Kurven
entsprechen, werden benutzt, um die Bündel S1, S2 und S3 zu
überlagern, deren zugehörige Wellenlängen λ1, λ2 bzw. λ3 sind. Die
Wellenlänge λ3 wird durch keinen der zwei Spiegel reflektiert.
Die Wellenlänge λ2 wird durch den der Kurve Ra entsprechenden
Spiegel reflektiert und durch den der Kurve Rb entsprechenden
Spiegel durchgelassen. Die Wellenlänge λ1 wird durch beide
Spiegel reflektiert.
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Die Abb. 3B stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar,
die drei Bündel S1, S2 und S3 der Wellenlängen λ1, λ2 und λ3
verteilt und dichroitische Spiegel, wie in Abb. 3A
beschrieben, benutzt.
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Laserquellen 12 liefern Bündel S1, S2 und S3 der
Wellenlängen λ1, λ2 und λ3. In diesem Beispiel nimmt man an, daß die
Intensität der Bündel S1, S2 und S3 die gleiche ist. Die den
Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 entsprechenden
Absorptionsquerschnitte sind verschieden: Beispielsweise ist der
Absorptionsquerschnitt bei λ3 größer als der Absorptionsguerschnitt bei
λ2, der größer ist als der Absorptionsquerschnitt bei λ1.
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Beispielsweise ist der Absorptionsquerschnitt bei λ3
gleich zweimal dem Absorptionsquerschnitt bei λ2, dieser
wiederum gleich zweimal dem Absorptionsquerschnitt bei λ1. Der
Reflexionskoeffizient und der Transmissionskoeffizient der in
diesem Beispiel benutzten teilweise reflektierenden Spiegel
sind dann 0,5.
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In Abb. 3B sieht man, daß das Bündel S1 mit Hilfe einer
Umlenkeinrichtung 24, eines Spiegels beispielsweise, zu einem
ersten dichroitischen Spiegel 22b umgelenkt wird, der durch
die Kurve des Reflexionskoeffizienten Rb charakterisiert ist.
Das Bündel S2 wird durch einen teilweise reflektierenden
Spiegel 20 in zwei Teile geteilt. Ein erster Teil des Bündels S2
wird beispielsweise durch einen Spiegel auf einen zweiten
dichroitischen Spiegel 22a gelenkt, der durch die Kurve des
Reflexionskoeffizienten Ra charakterisiert ist. Das Bündel S2
wird durch den zweiten dichroitischen Spiegel 22a reflektiert,
es wird durch den ersten dichroitischen Spiegel 22b
durchgelassen und dem Bündel S1 überlagert.
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Das Bündel S3 wird ein erstes Mal durch einen teilweise
reflektierenden Spiegel 21 und dann ein zweites Mal durch
einen anderen teilweise reflektierenden Spiegel 25 geteilt.
Das Bündel S3 wird dann den BündeIn S1 und S2 nach Durchtritt
durch die dichroitischen Spiegel 22a, 22b überlagert.
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Die überlagerten Bündel S1, S2 und S3 durchqueren in
mehreren Durchgängen den Behälter 10. Dazu werden die Bündel S1,
S2 und S3 durch Umlenkeinrichtungen 24, beispielsweise durch
Spiegel, umgelenkt. Wenn etwa der Fluß eines der Bündel,
beispielsweise S3, gleich ist dem Fluß bei Sättigung, so
überlagert man den Teil von S3, der von der zweiten Teilung ausgeht,
den Bündeln S1 und S2. Das verbliebene Bündel von S3 (in Abb.
3B gepunktet) wird von den anderen Bündeln, die den Behälter
durchquert haben, durch Durchtritt durch einen dichroitischen
Spiegel 32a von der gleichen Art wie der dichroitische Spiegel
22a getrennt. Man vermeidet so jede Interferenzbildung
zwischen dem verbliebenen Bündel S3 und dem Teil von S3, der von
der zweiten Teilung ausgeht.
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Nach einer neuen Bahn, die aus mehreren Durchgängen in
dem Behälter 10 besteht, haben beispielsweise die Bündel S2
und S3 ihren Fluß gleich dem Fluß bei Sättigung für die
Wellenlängen λ2 und λ3. Die aus einem zweiten Teil des Bündels S2
und des von der ersten Teilung des Bündels S3 ausgehenden
Bündels bestehenden Bündel werden den Bündeln, die den Behälter
10 durchquert haben, mit Hilfe eines Satzes aus einem
teilweise reflektierenden Spiegel 26 und dichroitischen Spiegeln 42a,
42b gleicher Art wie die Spiegel 22a bzw. 22b überlagert.
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Die Bündel S2 und S3, die den Behälter 10 durchquert
haben und deren Fluß gleich dem Fluß bei Sättigung ist, werden
von dem Bündel S1 durch Durchgang durch den dichroitischen
Spiegel 42b getrennt (Diese Bündel sind in Abb. 3B gestrichelt
dargestellt). Die von den verschiedenen Bündeln durchlaufenen
Weglängen werden ausgeglichen, um eine Synchronisation
zwischen den verschiedenen Impulsen im Zeitpunkt ihrer
Überlagerung zu erhalten.
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So wie oben durchqueren die überlagerten Bündel S1, S2,
S3 den Behälter 10 in mehreren Durchgängen. Wenn etwa der Fluß
beispielsweise des Bündels S3 gleich ist dem Fluß bei
Sättigung, so überlagert man den Teil des Bündels S3, der von der
ersten Teilung ausgeht, den Bündeln S1 und S2. Das verbliebene
Bündel von S3 (punktiert in Abb. 3B) wird von den anderen
Bündeln, die den Behälter 10 durchquert haben, durch den
Durchtritt durch einen dichroitischen Spiegel 52a gleicher Art wie
der dichroitische Spiegel 22a getrennt.
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In Abb 3B nimmt man an, daß der Absorptionsquerschnitt
des Bündels S3 gleich ist dem doppelten Absorptionsquerschnitt
des Bündels S2, wobei letzterer gleich ist dem doppelten
Absorptionsquerschnitt des Bündels S1. Man nimmt auch an, daß
die Intensitäten der Bündel gleich sind. Dieses Beispiel ist
in keiner Weise begrenzend, es genügt, die
Reflexionskoeffizienten der teilweise reflektierenden Spiegel und ihre Anzahl
anzupassen, um die Vorrichtung an einen anderen Satz von
Absorptionsquerschnittswerten und Laserintensitäten anzupassen.
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Ebenso hat ein anderer Satz von Wellenlängen die
Verwendung dichroitischer Spiegel zur Folge, die andere spektrale
Charakteristiken als die durch die Kurven Ra und Rb
beschriebenen besitzen.
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Die Abb. 4A stellt Kurven des Reflexionsvermögens zweier
dichroitischer Spiegel in Abhängigheit von der Wellenlänge
dar.
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Die dichroitischen Spiegel, die diesen Kurven
entsprechen, werden benutzt, um Bündel S4, S5, S6 und S7 der
Wellenlängen λ4, λ5, λ6 bzw. λ7 zu überlagern.
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Ein erster Spiegel, dessen charakteristische Kurve mit Rd
bezeichnet ist, gestattet die Reflexion des Bündels allein bei
der Wellenlänge λ7.
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Ein zweiter Spiegel, dessen charakteristische Kurve mit
Rc bezeichnet ist, gestattet die Reflexion des Bündels bei den
Wellenlängen λ6 und λ7.
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Abb. 4B stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar, die
vier Bündel S4, S5, S6 und S7 der Wellenlängen λ4, λ5, λ6 bzw.
λ7 verteilt und dichroitische Spiegel, wie sie durch die
Kurven Rc und Rd beschrieben werden, benutzt.
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Die Laserbündel S4, S5, S6 und S7 werden von den
Laserquellen 12 geliefert. Die Laserbündel werden mit einem Satz
dichroitischer Spiegel 23c, 23d der charakteristischen Kurven
Rc und Rd überlagert.
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Die überlagerten Bündel durchqueren den Behälter 10, sie
werden umgelenkt durch die Umlenkungseinrichtungen 24,
beispielsweise Spiegel, welche es gestatten, die Länge der Bahn
der Laserbündel beim Durchlaufen des Inneren des Behälters
einzustellen.
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Wenn etwa der Fluß wenigstens eines Bündels,
beispielsweise S4, gleich ist dem Fluß bei Sättigung, so wird ein neuer
Teil des Bündels S4 den Bündeln, die den Behälter durchquert
haben, überlagert. Dieser neue Teil des Bündels S4 geht aus
von einer Teilung des Bündels S4 durch die teilweise
reflektierenden Spiegel 28 und 29 am Ausgang des Lasers 12.
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Die Überlagerung des neuen Teils des Bündels S4 mit den
Bündeln, die den Behälter 10 durchquert haben, geschieht
mittels eines dichroitischen Spiegels 33c gleicher Art wie der
dichroitische Spiegel 23c. Der Durchtritt durch diesen
dichroitischen Spiegel 33c gestattet es, das verbliebene Bündel S4,
das bereits den Behälter 10 durchquert hat, von den anderen
Bündeln zu trennen und so die Bildung von Interferenzen
zwischen dem verbliebenen Bündel S4 und dem neuen Teil des
Bündels S4 zu vermeiden (Das abgetrennte verbliebene Bündel ist
in Abb. 4B gepunktet).
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In ähnlicher Weise wie im in Abb. 3 beschriebenen Fall
wird in der Folge des Durchlaufs, wenn eines der Bündel einen
Fluß hat, der beispielsweise gleich ist dem Fluß bei
Sättigung, dieses durch einen neuen Teil dieses Bündels ersetzt,
das von einer Teilung am Ausgang der Laser durch einen
teilweise reflektierenden Spiegel 27, 28 ausgeht. Die Bündel
werden durch dichroitische Spiegel 43c, 43d, 53c überlagert,
wobei der Index c einen Spiegel der Art von 23c und der Index
d einen Spiegel der Art von 23d bezeichnet. Der teilweise
reflektierende Spiegel 30 nimmt teil an der Überlagerung der
Bündel durch die dichroitischen Spiegel 43c und 43d, indem er
das von dem Spiegel 28 ausgehende Bündel teilt.