NO319447B1 - Fremgangsmate for separasjon av isotoper - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte for separasjon av isotoper, dvs. å oppnå isotopisk rene fraksjoner ved å separere naturlig forekommende isotopblandinger for elementene. Mer bestemt gjelder oppfinnelsen en fremgangsmåte for produksjon av isotopisk rene fraksjoner av isotoper som er egnet for å implementeres i industriskala. Enda mer bestemt gjelder oppfinnelsen en fremgangsmåte for å oppnå isotopisk ren SiRj i industriskala.

Bakgrunn

Halvlederindustrien hadde et produktsalg for mer enn 125 milliarder dollar i 1997 og er på grunn av dens størrelse et lokomotiv for verdensøkonomien. Nesten alle disse produktene ble produsert fra ett enkelt råmateriale - silisium. Industrien har akkumulert flere tiår med erfaring og investert milliarder av dollar i utvikling av produksjonsprosesser for silisiumbaserte halvledere.

To drivkrefter for halvledeirndustrien har vært ytelsesforbedringer og kostnadsreduksjoner. Dette har blitt oppnådd ved å krympe størrelsen på brikkene og på samme tid putte flere transistorer på individuelle brikker. Historisk har det vært en dobling av antallet transistorer på hver brikke for hver attende måned, dette er kjent som Moores lov. Mange har spådd at denne fremskrittshastigheten må nødvendigvis avta, men det har den ikke. Så langt har ingeniører og vitenskapspersonell funnet måter å gå rundt hindringer og fortsatt fremskrittet.

En uunngåelig konsekvens av krympingen av brikkene og høyere operasjonshastigheter er en økt energitetthet. Men for å opprettholde de høye driftshastighetene, eller mer presist de høye driftsfrekvensene, må driftstemperaturen til brikken holdes på fornuftige nivåer. Spesielt siden en økt driftstemperatur også gir økte støynivåer og tilsvarende nivåer på feiloperasjoner. Det har lenge vært kjent at dette problemet kan løses ved å anvende materialer med høyere termiske ledningsevner og/eller andre fordelaktige egenskaper i forhold til silisium. Men siden halvledeirndustrien har investert så mye i erfaring og penger inn i eksisterende produksjonslinjer basert på silisiumbrikker, bør materialforbedringer i halvlederindustrien bygges på, og ikke erstatte denne store silisiumerfaringen og produksjonsbasen. Et eksempel på dette er det faktum at galliumarsenid, et materiale med høyere ytelse enn silisium, ikke har vært i stand til å erstatte silisium på grunn av nødvendigheten av å investere milliarder av dollar for å endre produksjonsinfrastrukturen på verdensbasis.

For å ytterligere øke kapasiteten, dvs. øke tettheten og driftsfrekvensen på neste generasjon av integrerte kretser, må varmen som produseres i silisiumet hurtig og effektivt trekkes ut. Frem til i dag har dette problemet blitt løst ved "tynning", dvs. at prosessoren lages tynnere og/eller utstyres med varmesluk og innebygde vifter osv. for å øke fjerningshastigheten av varme. I praksis kan denne løsningen kun anvendes så lenge som kraftforbruket i prosessoren er mindre enn 110-120 watt, og dette kraftnivået ble forventet å nås rundt 2001. Så langt som vi vet, er den eneste praktiske implementerte løsningen for å ytterligere øke varmefjerningshastigheten introduksjon av lukkede kjølesystemer i prosessoren. Men disse tenderer til å koste mer enn prosessoren i seg selv og er dermed ikke en tilfredsstillende løsning.

Det ser derfor ut til at løsningen på problemet med overskuddsvarme bør finnes ved å endre fokuset fra hvordan lede generert varme bort til å unngå at varmen blir generert.

Årsaken til at varme genereres er den elektriske motstand inne i silisiummaterialet i prosessorene. Det har vært kjent siden tidlig 1940-tall at den termiske ledningsevnen i noen elementer er avhengig av elementets isotopsammensetning. F.eks. ble det etablert i 1958 at den termiske ledningsevnen til diamant ble redusert med 30 % ved introduksjon av 1,1 % av <l3>C-isotopen. Capinski et al. [1] og [2] har nylig vist at isotopisk rent <28>Si har minst 60 % bedre termisk ledningsevne ved romtemperatur og over 250 % bedre ved -170°C enn silisium med naturlig isotopsammensetning. Årsaken til den økte termiske motstanden i isotopiske blandede metaller er antatt å være forskjeller i vibrasjonstilstandene til de forskjellige isotopene. Dermed, hvis det kunne anvendes monoisotopisk silisium, ville vibrasjon (fonon-) spektrene gjennom krystallinstrukturen bli kraftig forenklet og dermed vil den termiske ledningsevnen bli kraftig forbedret [1 og 2]. En stor mikroprosessorprodusent har modulert isotopisk rene Si-wafere basert på funnene til Capinski et al., og beregnet at topptemperaturen på en 1 GHz mikroprosessor vil reduseres med 35°C. En så vesentlig reduksjon i varmegenereringshastigheten vil fjerne en hovedhindring for industrien og tillate fortsatt bruk av billige og allerede implementerte løsninger på å utstyre silisiumbrikker med varmesluk og innebygde vifter i flere år fremover.

En annen stor fordel med å anvende isotopisk ren silisium er at isotopisk ren silisium er silisium. Det er kjemisk nesten identisk det samme som "naturlig silisium" og kan anvendes direkte i eksisterende produksjonsprosesser uten noen form for endringer av produksjonslinjen eller elektroniske innretninger. Et annet heldig faktum er at naturlig inntreffende silisium inneholder tre stabile ikke-radioaktive isotoper hvor <28>Si er den mest forekommende (~ 92 %), mens de to andre <29>Si og <30>Si er tilstedet i henholdsvis 5 og 3 %. Dermed er en stor andel av isotopseparasjonen allerede utført av naturen, slik at fjerningen av relativt små fraksjoner av de to andre isotopene bør være relativt lett sammenlignet med andre materialer med mer jevnbyrdige isotopsammensetninger.

Som en konklusjon kan man si at isotopisk rent <28>Si representerer en svært lovende og lett implementert løsning på problemet med overskuddsvarme i høyytelses silisiumbrikker.

Kjent teknikk

Siden isotoper er kjemisk sett nesten det samme, bør isotopseparasjon nødvendigvis inkludere masseseparasjonsteknikker. Det er flere fysiske prosesser hvor masseseparasjon er observert. Noen inntreffer naturlig, men for å oppnå større forbedringer i masseforholdene har sofistikerte fremgangsmåter blitt utviklet. Hovedprosessene som er utnyttet er basert på én eller flere av de følgende konsepter: Massediffusjon, membraner, destillasjon, elektrolyse, elektromagnetisme, sentrifugering, separasjonsdyser, selektiv eksitasjon ved laser, ionemobilitet, kjemisk utveksling og kromatografi.

Faktorene som bestemmer hvilken prosess som skal velges avhenger av størrelsen på produksjonen. I laboratorier og småskalaanlegg hvor fleksibilitet og lave kapitalkostnader er viktige, er termisk diffusjonskolonne den foretrukne fremgangsmåten. For lettere elementer, er kjemisk utveksling og destillasjon de mest økonomiske for storskalaseparasjon, mens for tunge elementer er gassdiffusjon og gassentrifuger de mest økonomiske metodene.

Generelt kan man si at det er kun to isotopseparasjonsmetoder i industriskala som er kommersielt i bruk i dag:

- gassentrifuger hvor massefraksjonene separeres ved sentrifugalkrefter, og

- diffusjon av gasser gjennom membraner, hvor de lette isotopene diffuserer hurtigere gjennom membranen og dermed skaper en fraksjonering.

Tradisjonelt har storskalaproduksjon av isotopisk rene fraksjoner av elementene blitt anvendt i de følgende områder: -Tungtvann anvendes i kjernekraft, dvs. Candu-reaktorer, i nøytronmoderatorer, og som reagens i syntese av deutererte forbindelser. Under de siste 50 årene har utviklingen av fusjonsenergi (både hydrogenbomben og fredelig fusjon) ekspandert et søk for <2>H og <3>H (D og T). Dette skyldes at disse nukleinene er nøkkelkomponenter i fusjonsreaksjonen: <2>H + <3>H —* <4>He + 'n. - Fusjon er også én av årsakene til interessen for litium. Anvendelse av LiD istedenfor D2 transformerer en gass til et fast materiale. Videre, <6>Li + 'n —» 4He + <3>H, og produserer dermed tritium for ytterligere fusjon. Den mest vanlige Li-isotopen, <7>Li (92,6 %) har et svært lavt absorpsjonstverrsnitt for nøytroner og er derfor anvendt som nøytronreflektor. Dermed har begge stabilie litiumisotoper kommersiell verdi. - Nøytrondetektorer behøver absorberende materialer med høy affinitet for nøytroner og en lett deteksjon av resulterende radioaktivitet. To gassdetektorer er dominerende i markedet: <3>He og <l0>BF3. De respektive reaksjonene er: <3>He + 'n —► <3>H + 'H, hvor både produktkjerner ioniserer gassen og danner en registrert elektrisk utladning;10B +'n —► <4>He + <7>Li, hvor <4>He er ioniseringsspesien. Dermed er det et marked for isotopisk ren <3>He og <10>B. Nøytroner anvendes som hydrogensensorer i industrien. Dermed anvendes nøytronkilder og detektorer for å måle fuktighet i tre og papir, oljeinnholdende berglag i oljebrønner osv. - Uran er det mest undersøkte elementet når det gjelder separasjon av isotoper. Dette skyldes selvfølgelig dets bruk som drivstoff for kjernereaktorer og i atombomber. Den fissile isotopen er U (naturlig forekomst 0,720 %) mens U er den mest vanlige isotopen (99,275 %). Isotopseparasjon er vanligvis basert på diffusjon av UF&, en gass ved temperaturer over 56°C. -1 kjerneavfallgjenvinning er den selektive separasjon av 'H<3>HO fra <l>H20 viktig da den reduserer mengden av radioaktivt avfall man må kvitte seg med. Også separasjon av transuranene, dvs. spesielt plutonium, er et viktig emne i atomavfallgjenvinning. I blandet oksidfuel (MOX) er både <235>U og <239>Pu anvendt som fissjonskilder. Dermed er det viktig å separere 23<8>Pu fra <239>Pu fordi <238>Pu tjener som nøytronabsorbent. -1 tillegg har det vært en ekstensiv bruk av andre isotopisk rene elementer, slik som <13>C innenfor forskning og medisin. ;Isonics Corporation og Eagle-Pitcher i Quapaw, Oklahoma, har annonsert konstruksjon av et pilotanlegg for produksjon av isotopisk rent <28>SiF4. Dette produktet må kjemisk omdannes til SiKj hvis det skal anvendes i halvlederindustrien. ;Felles for alle disse feltene for å anvende isotopisk rene isotoper er at masseseparerte isotoper er svært dyre. Dette kan skyldes at de er alle områder hvor etterspørselen er for tiden uavhengig av prisen til de rene isotopene. Dermed har det ikke vært en tilstrekkelig sterk drivkraft for å oppnå billigere produksjonsmetoder og masseseparerte isotoper i stor skala. I tillegg er masseforskjellen til isotopene relativt lav, slik at et svært høyt antall suksessive separasjonstrinn er nødvendig, noe som vil kraftig øke både kostnader og energiforbruk. ;Når det gjelder tilfellet med å erstatte naturlig isotopisk silisium med isotopisk rent <28>Si fra halvlederindustrien, finnes det et tak for de ytterligere kostnadene til en silisium-wafer av isotopisk ren <28>Si. De ytterligere kostnadene må være vesentlig lavere enn tilleggskostnadene indusert ved å utstyre konvensjonelle silisium-wafere med lukkede kjølesystemer for å være i stand til å konkurrere med denne allerede implementerte løsning. Disse kostnader har også vist seg å være for store for det relativt prisfølsomme halvledermarkedet. Det er derfor et generelt behov for billigere produksjonsmetoder for å masseseparere isotoper, spesielt for å masseseparere <28>Si fra naturlig forekommende Si. ;Det er kjent at den beste og kanskje eneste egenskapen som kan anvendes for å separere isotoper er massediffusjonskonstanten, siden isotoper har nesten identiske kjemiske egenskaper. Og for å oppnå tilstrekkelig effektive ;masseseparasjonsteknikker, bør man anvende forbindelser i gassfase på grunn av at diffusiviteten er mye større i gasser enn i væsker. Dette kan være hvorfor isotopseparasjonsteknikker som involverer metaller tradisjonelt har blitt fokusert på bruken av fluor som liganden på grunn av at mange metaller kun danner gasshoIdige forbindelser med denne ligand. ;Oppfinnelsens målsetning ;Hovedmålsetningen med oppfinnelsen er å fremskaffe en fremgangsmåte for storskala masseseparasjon av isotoper som løser problemene nevnt ovenfor. ;En annen målsetning med denne oppfinnelsen er å fremskaffe en fremgangsmåte for storskala masseseparasjon av <28>Si fra naturlig forekommende Si som er markant mer effektiv og billigere i bruk enn eksisterende metoder. ;Beskrivelse av oppfinnelsen ;Målsetninger med denne oppfinnelsen kan oppnås ved en fremgangsmåte som beskrevet i kravene og i beskrivelsen gitt nedenfor. ;Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er basert på utnyttelsen av det faktum at massediffusjonskonstanten er omtrent invers proporsjonal med kvadratet av massen til molekylet/atomet, slik at jo lettere forbindelsen som separeres er, jo større vil forskjellen i diffusjonskoeffisienten til de forskjellige isotopene være. Dermed bør man anvende de lettest mulige hovedsakelige monoisotope ligander som danner gassholdige forbindelser ved praktiske temperaturer og trykk med det element som skal isotopisk rafineres. Begrepet "praktiske temperaturer" er knyttet til en hvilken som helst temperatur hvor prosessutstyret kan drives. ;Den lettest mulige liganden er hydrogen. Dette elementet er ikke kun svært lett sammenlignet med konvensjonelt anvendte halogener (vanligvis fluor), danner gassholdige forbindelser med elementer som er av interesse for elektronikk og halvlederindustrien, men er også naturlig tilstede som en nærmest monoisotopisk 'H med kun mindre enn 0,015 % <2>H (også vanligvis betegnet som "D"). Denne lave forekomsten av D utgjør ikke et alvorlig problem, slik at de ovenfor nevnte egenskapene er alle fordelaktige og gjør hydrogen til den ideelle liganden for å oppnå målsetningene i denne oppfinnelsen. ;Effekten av den reduserte vekten kan demonstreres ved å sammenligne den praktiske massedifferansen mellom <28>SiF4 og <29>SiF4 i ovenfor nevnte konvensjonelle prosess til Isonics Corporation, som er (29-28)/(29+76) = 0,00961 med den tilsvarende praktiske masseforskjell mellom <28>SiH4 og <29>SiH4 som er (29-28)/(29+4) = 0,030303. Substitusjonen av fluor med hydrogen i tilfelle med raffinering av silisiumisotoper gir en økning i den praktiske masseforskjellen på mer enn 300 %, slik at effektiviteten til en masseseparasjonsprosess som anvender SiH4 vil dermed være ca. tredoblet sammenlignet med konvensjonelle prosesser basert på SiF4. Et annet fordelaktig trekk i tilfelle med å forsyne halvleder- og elektronikkindustrien er at SiH4 er et vanlig brukt råmateriale for å danne både haivledende og isolerende lag på halvledere. Dermed kan den isotopisk raffinerte forbindelsen anvendes direkte i produksjonslinjen til halvlederindustrien uten å kreve noen kjemiske omdanninger av matestokken. ;Elementene som danner gassholdige hydrogenforbindelser ved praktiske temperaturer og trykk er: B, N, C, O, F, Si, P, S, Cl, Ga, Ge, As, Se, Br, Sb, Te og I. Av disse er F, P, As og I monoisotoper og er dermed ikke en målgruppe for isotopseparasjoner. De gassholdige forbindelsene av interesse blir dermed: B2H6, NH3, CH4, H20, SiH4, H2S, HC1, Ga2H6, Ge2H6, H2Se, HBr, H2Sb og H2Te. Hydrogen i seg selv er faktisk et interessant element for isotopseparasjonen, spesielt når det er tale om nukleære anvendelser. En liste av de aktuelle forbindelser, isotoper og tilsvarende forekomster er presentert i tabell 1.1 tabell 2 er de fysiske egenskapene til forbindelsene listet opp. Ved praktiske trykk og temperaturer menes trykk innenfor omtrent 0,25-100 bar og temperaturer innenfor ca. -195 til +400°C, fortrinnsvis 0,5-10 bar og -195 til +100°C. ;Den oppfinneriske ideen ved å anvende hydrogen som en ligand kan implementeres i alle kjente isotopseparasjonsprosesser, inkluderende men ikke begrenset til, dagens mest vanlige anvendte teknikker for industriskalaisotopseparasjon basert på gassentrifugering og diffusjon gjennom membranene. Mange kjemiske og fysiske egenskaper til hydrider er selvsagt forskjellig fra tilsvarende konvensjonelt anvendte fluorider, slik at det kan være nødvendig å endre prosessparameter slik som temperatur, gasstrykk, membranmaterialenes kjemiske aktivitet osv. ;I tilfeller hvor det anvendes en inert bærergass, er det observert at masseforholdet til molekylmassene til forbindelsene som skal isotopisk separeres og bærergassen er spesielt viktig. Det vil si, masseforholdet bør være så høyt som mulig (bærergassen bør ha den høyeste molekylmassen) for å oppnå den høyeste separasjonsgraden i hvert prosesstrinn. Dette er antatt å skyldes det faktum at ved elastiske kollisjoner, så er det de letteste deltagerne som oppnår de mest voldsomme bevegelsene. Og fordi en optimalisert massediffusjon basert på separasjonseffekten søkes, bør man streve etter å øke den diffusive bevegelsen til molekylene som skal isotopisk separeres så mye som mulig. Dette impliserer bruk av tunge inerte bærergasser. ;I tillegg til de konvensjonelt anvendte industriskalateknikker slik som gassykloner og membrandiffusjon, er det forestilt at diffusjonen kromatografi kan være svært egnet for å implementere den oppfinneriske ideen i industriskala. Denne fremgangsmåten har frem til i dag blitt antatt å være for dyr for storskalabruk og har utelukkende blitt brukt for småskalaseparasjoner, men gitt den rette kombinasjonen av bærergass, kolonnens pakkemateriale, drivtrykk og temperaturer kan kolonnebasert diffusjon kraftig øke antallet separasjonstrinn pr. enhet energi og kan dermed være et billig alternativ. ;Kort beskrivelse av tegningene ;Fig. 1 viser eksempel på separasjon mellom argon og silan. Gassene blir injisert samtidig som en kort puls. Partiklene i dette tilfellet er Hydro 2. Bærergassen er helium og forholdet mellom argon og silan er 95:5. Fig. 2 del a) er en graf som viser en test i en 10 m kolonne inneholdende partikler "Hydro 3" som undersøker effekten med en raskere konvektiv strømning. Bærergassen er He, temperaturen er 30°C og strømningen er 0,85 ml/min. Del b) viser resultatene som et plott av masseforholdet som en funksjon av regi streri ngstiden. ;Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen ;Oppfinnelsen vil nå beskrives i større detalj under referanse til eksempler av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen i tilfelle ved å anvende kromatografisk kolonne for isotopseparasjon av ry n SiH4 fra TQ SiH4 og TflSiH4. Det skal bemerkes at den oppfinneriske fremgangsmåten kan anvendes for separasjon av isotoper av hvilken som helst av de andre forbindelsene gitt i tabell 1 eller 2. ;Seprasjon av kjemiske spesier ved å sende dem gjennom en kromatografisk kolonne er en teknikk som er vanlig anvendt og godt kjent for en fagperson. Den trenger derfor ingen ytterligere beskrivelse. ;Men for å verifisere oppfinnelsen i tilfelle med å anvende kromatografisk teknikk for isotopseparasjon i storskala, ble det utført en testserie for isotopmasseseparasjon i en kromatografisk kolonne med de følgende eksperimentelle spesifikkasjoner: ;Testprosedyre ;Som en sikkerhetsforanstaltning er det foretrukket å fortynne den eksplosive og selvantennende silangassen med argon før entring av den kromatografiske kolonnen. Silankonsentrasjonen bør være i området 5-10 %, slik at en 10 1 flaske med 5 % silan i argon ble kjøpt fra AGA og anvendt som råmateriale. ;Alikvotet ble bragt til GC-MS i en 50 ml stålflaske fra hvilken injeksjonsløkken ble fylt. Det ble anvendt monodisperse partikler som angitt i tabell 3. Partiklene var produsert av Dyno Particles. Produsenten av Dynokuler hadde en pris som ble antatt prohibitiv for industrielle prosesser, slik at fokuset ble satt på partikler produsert og forsynt av Hydro Particles. Kolonnene var lagd av rustfritt stålrør med indre diameter på 1/16 eller 1/8 tomme. Alle kolonner var ca. 10 m lange med unntak av én som var 30 m lang for å teste effekten av kolonnelengde. ;Testarbeidet ble rettet mot å avdekke virkningen av de følgende parametere: ;- Pakkematerial: porøsitet, forbruk, pakketetthet ;- Temperatur ;- Trykk, dvs. strømningshastighet på bærergass ;- Bærergass ;Kolonnepre<p>arering ;Partiklene ble presset inn i et rør ved å anvende flytende CO2 levert fra en CO2-superkritisk ekstraksjonspumpe, ISCO modell 260D Syringe pumpe med ISCO SFX 200 kontroller, med et trykk på 300 bar og en fluidstrøm på 0,1-0,2 ml/min. Under pakking var røret nedsenket i et ultralydbad. Etter pakking ble trykket frigjort sakte for å unngå frigjøring av partiklene. ;For å unngå lekkasje av partikler ble et VALCO filter montert i hver ende. (Den andre ble montert etter pakking). ;Etter montering av kolonnen i GC-MS, ble det fylt på med argon for å bli kvitt innfanget C02 og luft. Nivåene til CO2, 02 og N2 ble overvåket av et massespektrometer. ;Analvse<p>rosedvre ;For å måle isotopseparasjon var det nødvendig å forbinde kolonneutbyttet til et massespektrometer på en direkte og kontinuerlig måler. Gasskromatografen og massespektrometeret var en Hewlett-Packard 5890 serie II GC og 5971 A masseselektiv detektor. Den ble kontrollert ved en HP ChemStation dataregistreringssystem og anvendt som en kontinuerlig logger av produktmengden ut av kolonnen. ;Ionekilden i denne type massespektrometer ioniserer silan på en måte som danner en fordeling av massene: SiH3<+>, SiH2<2+>, SiH<3+>, og Si<4+>, dvs. massene 28-33. Bakgrunnsbidrag fra 02, dvs. massene 32, og N2, dvs. massen 28 vil dermed representere et problem. Det kan imidlertid vise seg at bidragene fra <29>Si er 4,8 % av responsen ved massen 29 og at massen 33 må i helhet representere <30>SiH3<+>. Dermed, for å unngå problemer fra bakgrunnsbidragene til N2 (masse 28) og 02 (masse 32), er analysen fokusert på massene 29 og 33 og deres andeler. ;Dataanalysen har blitt utført som følger: ;1. Programmet EasyQuan lagd av APT anvendes for bestemmelse av retensjonstider og toppbredde. Dette programmet anvendes også for komprimering av spektre og eksporterer de prosesserte dataene i et format aksepterbart for Microsoft Excel. 2. Dataene importeres inntil et Excel flytskjema, bakgrunn fjernes og masseforholdsspektrene blir beregnet. 3. Nettospektrene importeres inn i en plottepakke Origin ved Microcal Software. Toppregionen av interesse plottes og pulsene tilpasses til en Gauss-form. 4. Hvis masseforholdet mellom massene 33 og 29 viser en ikke-konstant tidsavhengighet, blir en asymmetrisk tilpasning utført. ;Resultater ;Resultatene viser at bruken av kromatografiske kolonner for å separere isotoper kan være godt egnet for implementering i industriskala. Resultatene er delt i to deler. Først vises det at bærergassen og silisiumforbindelsen som skal isotopisk separeres blir godt separert kjemisk i kolonnen slik at det ikke skal være noen problemer med forurensning av produktet av bærergassen. Deretter vises det at den oppfinneriske fremgangsmåten for isotopisk separasjon av isotoper gir tilfredsstillende resultater som tillater implementering av kromatografiteknikken i industriskala. ;Kjemisk separering ;I fig. 1 er det vist et plott av silan og argonresponser som funksjon av retensjonstid. Plottet viser at silan gjenholdes relativt i forhold til argon, slik at det er mulig å separere silan fra argon ved å ganske enkelt bevege en slik gassblanding gjennom en kolonne med et egnet porøst materiale. Alle partiklene fra Hydro Particles viser denne effekten. Retensjonen av silan er overraskende fordi argon er tyngre enn silan og var derfor forventet å bevege seg saktere gjennom kolonnen. Dermed kan ikke retensjonen være av en kinetisk natur og må derfor være på grunn av molekylære interaksjoner mellom det porøse materialet og silanet. ;Tabell 4 oppsummerer resultatene fra retensjonsmålinger av argon og silan oppnådd med forskjellige partikler. Det er også gitt breddene til pulsene definert som (fulle) bredden ved 1/10 av topphøyden (FWTH). Dette ble bestemt ved å bruke et valg i EasyQuan spesielt lagd for denne hensikt. ;Masseseparasjonstester ;Det er to måter å avsløre masseseparasjon av isotoper; ved forskjeller i hastigheten på grunn av forskjellige isotopmasser, og forskjeller i diffusjonskoeffisienten, men ikke i det konvektive strømningsmønsteret. Hvis den første effekten gjelder er det forventet forskjellige posisjoner av massepoppene, mens i det siste tilfellet vil effekten vises som forskjeller i bredden til masseresponsene. ;Alle kolonner har blitt testet med forskjellige silanpulser for å sikre stabil drift. De fleste av dem har også blitt testet ved mer enn én temperatur. Den valgte referansetemperaturen var 30°C, dvs. noe over omgivelsestemperaturen. ;Et eksempel på responsene til massene 29 og 33 og deres fordeling av masseforholdet er gitt i fig. 2. På figuren er abscissen retensjonstiden relativt til når registreringen av data ble igangsatt. Den virkelige retensjonstiden vises i tabell 4. En Gauss-tilpasning er også vist i figuren. Som vist i tabell 4 utføres de fleste testene ved 30°C og en strømning på 0,35 ml/min. I noen tilfeller er andre temperaturer og strømninger vist. ;Fra fig. 2 del b), kan det ses at masseforholdet mass33/mass29 har en topp eller øker fra ca. 0,100 ved endene til en enkelt silanpuls til 0,125 ved midten av pulsen. Dette tilsvarer en masseseparasjonsfaktor mellom i* sotopene 28 S1H4 og <30>SiH4 på 1,09.

Tilsvarende testresultater for Hydro 3 partikler ved to forskjellige temperaturer er oppsummert og gitt i tabell 5. Andre typer partikler presentert i tabell 4 har også blitt testet, men de ga en lavere separasjonsgrad og er ikke presentert her.

Seprasjonsfaktorene i tabell 5 er beregnet som integralet fra nedre grense til øvre grense av masseresponskurven normalisert til totalresponsen. Tilsvarende, jo smalere integrasjonsområde, jo mindre utbytte. For å beregne antall trinn som er nødvendig for anriking av <28>Si fra 92,23 % anvendes en geometrisk serie:

hvor hevet indeks 0 representerer normalisotopsforholdet og hevet indeks n etter n trinn.

Ved å anta en separasjonsfaktor på 1,10, vil det være nødvendig med 38 trinn for å oppnå en renhet på 99,9 % <28>Si. Dette er et betraktelig lavere antall trinn enn hva man kjenner fra konvensjonelle prosesser fra isotopseparasjon basert på tunge ligander slik som fluor, hvor det kan være nødvendig med flere tusen trinn for å oppnå tilstrekkelig rene isotopfraksjoner. Dette viser at denne oppfinnelsen er godt egnet for å implementeres til bruk i industriskalaseparasjon av isotoper.

Resultatene fra tabell 5 bekrefter at kromatografiske kolonner kan være svært egnet for separasjon av isotoper i stor skala. Testene viser også at de følgende generelle faktorer bør utnyttes for å optimalisere den oppfinneriske prosessen: - det bør anvendes en pakking av monodisperse partikler. Dette er antatt å være på grunn av at monodisperse partikler reduserer dispersjonen av strømningen og dermed øker effekten av diffusjon, - kolonnen bør være så lang som mulig, fra omtrent 10 m og lengre. En kolonnelengde på 30 m er vist for å yte bedre enn en kolonnelengde på 10 m, - temperaturen bør antagelig være så høy som mulig, testene ved 50°C viste bedre separasjonsgrader enn testene utført ved 30°C, og

- partiklene bør være porøse og på samme tid ha et lavt overflateareal.

Til slutt, gjennomstrømningen i en kolonne er avhengig av tverrsnittsarealet. For å øke utbyttet kan tverrsnittet til forskjellige kolonner være mindre jo høyere trinntall kolonnen har. Ved å anta 10 % utbytte vil det optimale forholdet mellom to etterfølgende kolonners tverrsnitt være Vi0 = 3,16.

Isotopseparasjon ved kromatografiske kolonner vil nødvendigvis inkludere et antall gjentatte etterfølgende sykluser for å oppnå en høy separasjonsgrad, hvor hver syklus inkluderer å sende silan og argongass gjennom den kromatografiske kolonnen. Dette kan oppnås ved å oppsamle utløpsgassen fra én kolonne og injisere den i neste kolonne (serieforbindelse), eller ved å utstyre én kolonne med resirkuleringsmuligheter slik at silangassen kan sendes gjennom samme kolonne et antall sykler.

Tabell 5. Resultater av tilpasning til modell. D er diffusjonskonstanter og v er lineære hastigheter. Både D og v er beregnet ved å tilpasse parametere. Selektivitetskoeffisienter (separasjonsfaktor) til <28>Si i forhold til 30Si er beregnet for andre kolonne fra høyre for 30 og 50°C. I beregningene er det brukt verdier for Hydro3.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for separasjon av isotoper, hvor en spesifikk isotop av en isotopsammensetning renses ved å utnytte forskjellen i isotopens massediffusivitet ved å la naturlig isotopsammensetning, i én syklus gjennomløpe en massestrøm gjennom et medium ved diffusjon og eventuelt også konveksjon, og dermed oppnå en fraksjonering av isotopene slik at den ønskede isotopen anrikes i én fraksjon av massestrømmen, oppsamle denne anrikede fraksjonen av massestrømmen og sende den gjennom en ny syklus for å oppnå en fraksjon med høyere innhold av den ønskede isotopen, og gjenta disse syklusene inntil at den ønskede isotopen har blitt tilstrekkelig anriket, karakterisert ved at hydrogen anvendes som ligand på elementet som skal separeres, og at hydrogen og elementet som skal separeres anvendes i form av en kjemisk forbindelse som er i gassholdig tilstand ved de aktuelle trykk og temperaturer, og at de gassholdige hydridene separeres ved massediffusjon gjennom en kromatografisk kolonne.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at, i tilfelle med isotopisk separering av <28>Si fra <29>Si og <30>Si, at den gassholdige hydrogenforbindelsen er silan, SiH4.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at den gassholdige hydrogenforbindelsen er én av B2H6, NH3, CH4, H20, H2S, HC1, Ga2H6, Ge2H6, H2Se, HBr, H2Sb, og H2Te for å oppnå en isotopisk ren fraksjon av henholdsvis B, C, O, S, Cl, Ga, Ge, Se, Br, Sb og Te.

4. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at den kromatografiske kolonnen er pakket med monodisperse polystyrenpartikler.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, karakterisert ved at de monodiseperse polystyrenpartiklene er lagd av en blanding omfattende divinylbenzen og polyakrylat.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 5, karakterisert ved at den monodisperse polystyrenpartikkelen har en partikkelstørrelse på 20 (im, porøsitet på 70 % og et overflateareal på 148 m<2>/g.

7. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av kravene 4-6, karakterisert ved at bæregassen er argon.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, karakterisert ved at argongassen har et trykk på 0,5 bar i den kromatografiske kolonnen og at temperaturen er 50°C.