RU2750381C1 - Способ лазерного разделения изотопов азота - Google Patents

Способ лазерного разделения изотопов азота Download PDF

Info

Publication number
RU2750381C1
RU2750381C1 RU2020124487A RU2020124487A RU2750381C1 RU 2750381 C1 RU2750381 C1 RU 2750381C1 RU 2020124487 A RU2020124487 A RU 2020124487A RU 2020124487 A RU2020124487 A RU 2020124487A RU 2750381 C1 RU2750381 C1 RU 2750381C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
radiation
nitrogen
infrared
separation
Prior art date
Application number
RU2020124487A
Other languages
English (en)
Inventor
Борис Абрамович Зон
Алексей Станиславович Корнев
Александр Васильевич Наскидашвили
Владислав Евгеньевич Чернов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ")
Priority to RU2020124487A priority Critical patent/RU2750381C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2750381C1 publication Critical patent/RU2750381C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/20—Nitrogen oxides; Oxyacids of nitrogen; Salts thereof
    • C01B21/24—Nitric oxide (NO)

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов азота, и может быть использовано для получения обогащенного изотопа азота 15N, важного в агрохимии, ядерной энергетике и ЯМР спектроскопии. Способ лазерного разделения изотопов азота включает облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, причем в качестве исходного газа используется монооксид азота (NO). Длина волны резонансного инфракрасного излучения должна иметь одно из следующих значений: 5,426 мкм, 2,733 мкм, 1,836 мкм, 1,387 мкм, 1,118 мкм, 939,0 нм или 811,1 нм, диапазон сильного лазерного излучения - оптический или инфракрасный, а интенсивность должна превышать 6,5×1012 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния NO. Технический результат заключается в повышении эффективности выделения изотопов азота лазерным излучением. 2 ил.

Description

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов азота, и может быть использовано для получения обогащенного изотопа азота 15N, важного в агрохимии, ядерной энергетике и ЯМР спектроскопии.
В агрохимии появляется возможность наблюдать за процессами передвижения и поглощения «меченых удобрений» в почве [КовдаВ.А. БИОГЕОХИМИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА. - М. Наука, 1985 - 264 с.]. Для подбора наиболее оптимальных методик внесения удобрений действует специальная научная программа МАГАТЭ Nitrogen-15 (N15) [https://www.iaea.org/newscenter/news/stable-nitrogen-isotope-helps-scientists-optimize-water-fertilizer-use, Bateman A.S., Kelly S.D., Isot. Environ. Health Stud. 43, 237 (2007)].
Для ядерной энергетики изотоп 15N перспективен тем, что имеет сечение паразитного захвата тепловых нейтронов в реакторе в 106 раз меньшее по сравнению с 14N [https://www.atomic-energy.ru/news/2016/06/20/66840, Патент RU 2583808, опубл. 14.04.2016].
Изотоп 15N удобен в ЯМР-спектроскопии вследствие спина 1/2, что приводит к полезному уменьшению ширины линии. Техника 15N ЯМР используется в исследовании таутомеров [Witanowski М., Pure Appl. Chem. 37, 225 (2009)], белков [Вах A., Grzesiek S., Асе. Chem. Res. 26, 131 (1993)] и азотосодержащих гетероциклических соединений [Shestakova T.S. et al., J. Org. Chem. 78, 6975 (2013); Deev S.L. et al, Beilstein J. Org. Chem. 13, 2535 (2017); RSC Advances 9, 26856 (2019)].
В природе встречаются два стабильных изотопа азота: 14N (99,634%) и 15N (0,366%).
Известен способ разделения изотопов азота методом фракционной перегонки жидкой двуокиси азота [Лизунов А.В., Солодов А.А. МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОТОПА АЗОТА 15N. - Препринт ИБРАЭ №IBRAE-2015-04. - М. ИБРАЭ РАН, 2015 - 35 с.]. Метод реализуется на базе многоступенчатой многоканальной колонны разделения изотопов [Патент RU 2543877, опубл. 10.03.2015]. Ступень колонны выполнена как комбинация короткой многоканальной колонны и газового смесителя гомогенного типа.
Известен способ разделения изотопов азота в массообменном процессе [Патент RU 2583808, опубл. 14.04.2016]. Способ концентрирования изотопа 15N включает проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота N2 в качестве рабочего вещества.
Методы лазерного разделения изотопов являются эффективными методами получения химических элементов определенного изотопического состава [Летохов В.С, Мур С.Б. Квантовая электроника т. 3, вып. 3, 4, 1976 г.], что связано с возможностью значительного изотопического обогащения за один цикл. Эти методы основаны на селективном возбуждении лазерным излучением электронных или колебательных уровней атомов или молекул определенного изотопического состава. Метод избирательной стимуляции одного молекулярного компонента в смеси [WO 9712373; B01D 53/00; B01D 59/34; G01N 21/63, опубл. 03.04.1997] предполагает переход обоих компонентов в первое возбужденное состояние при первом импульсе лазерного излучения и выборочный переход одного компонента во второе возбужденное состояние при втором импульсе лазерного излучения длительностью порядка 10-15 с.
Способ разделения и обогащения стабильных изотопов в газовой фазе с использованием принципов спектрометрии ионной подвижности при атмосферном давлении (760 мм рт.ст.) и при комнатной температуре (298 К), согласно патенту US 6831271 [B01D 59/46; B01D 59/48; G01N 27/62; G01N 27/64; H01J 49/04; H01J 49/40; H01J 49/42, опубл. 14.12.2004], может быть использован для разделения и обогащения изотопов фтора. Электроспрей-ионизация используется для создания газовой смеси ионов. Ионные пучки на выходе из сильного поля с асимметричной формой волны спектрометра подвижности ионов попадают в масс-спектрометр для идентификации изотопов.
Метод лазерного разделения изотопов 175Lu, 176Lu, 177Lu и 177mLu предложен в работе [Дьячков А.Б. и др., Оптика и спектр. 128, 301 (2020)]. Метод основан на селективном возбуждении различных компонент сверхтонкой структуры в трехстадийных переходах излучением импульсных перестраиваемых по длине волны лазеров на красителях, накачиваемых лазерами на парах меди.
Известен способ [патент RU 2652260, опубл. 25.04.2018] лазерного разделения изотопов лития, согласно которому ведут облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используются пары хлористого лития (LiCl), длина волны резонансного инфракрасного излучения должна иметь одно из значений 14,79 мкм, 7,451 мкм, 5,006 мкм, 3,783 мкм, 3,050 мкм, 2,562 мкм, 2,213 мкм или 1,952 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность сильного лазерного излучения превышает 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния LiCl.
Известен способ [патент RU 2651338, опубл. 19.04.2018] лазерного разделения изотопов йода, согласно которому проводят облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используются пары йода (b), длина волны резонансного инфракрасного излучения 47,62 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность сильного лазерного излучения превышает 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния I2.
Известен способ [патент RU 2620051, опубл. 22.05.2017] лазерного разделения изотопов фтора, согласно которому облучение исходного газа производят резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используется фтороводород (HF), длина волны резонансного инфракрасного излучения 2,419 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность сильного лазерного излучения превышает 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния HF.
Известен способ [патент RU 2530062, опубл. 10.10.2014] лазерного разделения изотопов хлора, согласно которому проводят облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используется хлористый водород (HCl), длина волны резонансного инфракрасного излучения 3,782 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность сильного лазерного излучения превышает 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния HCl.
Известен способ [патент RU 2531178, опубл. 20.10.2014] лазерного разделения изотопов водорода облучением исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используется хлористый водород (смесь HCl и DCl), длина волны резонансного инфракрасного излучения 4,662 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния DCl.
Известен способ разделения различных изотопов по патенту GB 1529391 (B01D 59/34; G02B 27/00; H01S 3/08, опубл. 18.10.1978), согласно которому пар, содержащий смесь изотопов, облучают для возбуждения изотопов одного типа до повышенного колебательного состояние и перехода возбужденных изотопов на более высокий электронный уровень, на котором электронные заряды разделяются. Пар обеспечивает сильно насыщенную атмосферу, которая не является растворителем для изотопов.
Известен способ [патент GB 1473330, МПК B01D 59/34; B01J 19/12; G02B 27/00; H01S 3/00; H01S 3/094; H01S 3/22, опубл. 11.05.1977] лазерного разделения изотопов, взятый за прототип, основанный на изотопически-селективном возбуждении молекул газовой фазы в процессе инфракрасного поглощения фотонов, который включает в себя следующие стадии: облучение молекул ИК-излучением с помощью ИК лазера при интенсивности, по крайней мере, 104 Вт/см2, в течение времени от 10-10 до 5×10-5 с, причем молекулы, содержащие желаемый изотоп или изотопы, преимущественно возбуждены резонансным излучением и поглощают больше, чем один квант ИК-излучения; преобразование возбужденных молекул в процессе облучения лазером оптического или УФ диапазона для осуществления фотодиссоциации, в котором возбужденные молекулы могут быть отделены от невозбужденных.
Селективное колебательное возбуждение считается наиболее трудным методом [Летохов В.С, Мур С.Б., цит. соч., стр. 253]. Это связано с тем, что, несмотря на простоту селективного колебательного возбуждения, затруднено дальнейшее выделение колебательно возбужденных молекул.
Задачей изобретения является устранение недостатков, присущих прототипу.
Технический результат заключается в повышении эффективности выделения изотопов азота лазерным излучением.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерного разделения изотопов азота, включающем облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, согласно изобретению в качестве исходного газа используется монооксид азота NO, длина волны резонансного инфракрасного излучения должна иметь одно из следующих значений: 5,426 мкм, 2,733 мкм, 1,836 мкм, 1,387 мкм, 1,118 мкм, 939,0 нм или 811,1 нм, диапазон сильного лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 6,5×1012 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния NO.
Предлагается использовать эффект анти-стоксова усиления туннельной ионизации молекул. Этот эффект, предложенный в работе [Kornev A.S., ZonB. A., Phys. Rev. А 86, 043401 (2012); 97, 033413 (2018)] и более детально рассмотренный в работах [Kornev A.S., Zon B.A., Laser Phys. 24, 115302 (2014)] применительно к молекуле HF, [Kornev A.S., Zon В.A., Phys. Rev. А 92, 033420 (2015)] применительно к N2, [Kopytin I.V., Kornev A.S., Zon B.A., Laser Phys. 29, 095301 (2019)] применительно к молекуле О2, состоит в значительном увеличении вероятности туннельного эффекта в лазерном поле для колебательно-возбужденных молекул. При туннельном эффекте в лазерном поле возможен неупругий процесс, когда часть энергии передается туннелирующему электрону от иных степеней свободы в атомах [Kornev A.S. et al., Phys. Rev. A 68, 065403 (2003); 69, 065401 (2004); 79, 063405 (2009); 84, 053424 (2011); 85, 035402 (2012); Kornev A.S. et al., Laser Phys. Lett. 10, 085301 (2013); Kornev A.S., ZonB. A., Laser Phys. Lett. 16, 105301 (2019)] или молекулах [Kornev A.S., ZonB. A., Phys. Rev. A 86, 043401 (2012); 92, 033420 (2015); Kornev A.S., Zon B.A. Laser Phys. 24, 115302 (2014); Kornev A.S., Zon B.A., Phys. Rev. A 97, 033413 (2018); Kopytin I.V. et al., Laser Phys. 29, 095301 (2019)]. Для молекул такими иными степенями свободы могут являться колебательные степени свободы ядер атомов, образующих молекулу. Предварительное возбуждение ядерных колебаний позволяет в результате туннельного эффекта образовывать ионы с преимущественным содержанием определенных изотопов, поскольку нейтральные молекулы разного изотопического состава имеют разные частоты колебательных переходов.
На Фиг. 1 показана зависимость отношения вероятности образования ионов NO+ из возбужденного колебательного состояния (υi>0) к вероятности образования ионов NO+ из основного колебательного состояния (υi=0), в зависимости от интенсивности лазерного излучения I.
На Фиг. 2 представлена таблица значений длин волн резонансного инфракрасного излучения для разных возбужденных колебательных состояний (υi=1, 2, …,7).
В газовой смеси, содержащей различные изотопы азота (14N, 15N), молекулы облучаются инфракрасным излучением с длиной волны λр в соответствии с данными из Фиг. 2 для заселения υi-го колебательного состояния молекулы 15N16O. После этого на объем газа, подвергшегося облучению с указанной выше длиной волны, воздействуют лазерным излучением оптического или инфракрасного диапазона, причем интенсивность излучения I должна быть достаточно высокой, чтобы ионизация проходила вследствие туннельного эффекта, то есть удовлетворять неравенству
Figure 00000001
Здесь Е0 - потенциал ионизации молекулы, λ - длина волны ионизирующего излучения, а=0,529 Å=0,529×10-10 м - атомная единица длины (боровский радиус), Е а =27,2 эВ=4,36×10-18 Дж - атомная единица энергии, I a =3,51×1016 Вт см-2=3,51×1020 Вт м-2 - атомная единица интенсивности, αе=7,23×10-3 - постоянная тонкой структуры.
Для молекулы монооксида азота NO (Е0=9,264 эВ) эта интенсивность должна превышать 1,47×1013 Вт/см2 при длине волны ионизирующего излучения 1,3 мкм или 6,21×1012 Вт/см2 при длине волны ионизирующего излучения 2,0 мкм. Интервал времени между облучением резонансным инфракрасным излучением и мощным лазерным излучением не должен превышать времени жизни колебательного состояния, зависящего от давления и температуры газа. Вследствие туннельного эффекта преимущественно ионизуются колебательно-возбужденные молекулы, то есть молекулы 15N16O. Далее, путем экстракции положительных ионов, получают монооксид азота с повышенным, по сравнению с исходным, содержанием изотопа 15N.
Из зависимости на Фиг. 1 видно, что в оптимальных условиях, при интенсивности лазерного излучения ~1×1013 Вт/см2, вероятность образования ионов 15N16O+ превышает вероятность образования ионов 14N16O+ в ~50 раз.

Claims (1)

  1. Способ лазерного разделения изотопов азота, включающий облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используется монооксид азота NO, длина волны резонансного инфракрасного излучения должна иметь одно из следующих значений: 5,426 мкм, 2,733 мкм, 1,836 мкм, 1,387 мкм, 1,118 мкм, 939,0 нм или 811,1 нм, диапазон лазерного излучения - оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 6,5×1012 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния NO.
RU2020124487A 2020-07-14 2020-07-14 Способ лазерного разделения изотопов азота RU2750381C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124487A RU2750381C1 (ru) 2020-07-14 2020-07-14 Способ лазерного разделения изотопов азота

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124487A RU2750381C1 (ru) 2020-07-14 2020-07-14 Способ лазерного разделения изотопов азота

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2750381C1 true RU2750381C1 (ru) 2021-06-28

Family

ID=76820116

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020124487A RU2750381C1 (ru) 2020-07-14 2020-07-14 Способ лазерного разделения изотопов азота

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2750381C1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4193855A (en) * 1978-03-31 1980-03-18 Allied Chemical Corporation Isotope separation by multiphoton dissociation of methylamine with an infrared laser
US4387010A (en) * 1980-05-29 1983-06-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method of separating 15 N from natural abundance NO
JP2006102727A (ja) * 2004-10-04 2006-04-20 Japan Atom Energy Res Inst レーザーによる窒素同位体▲１５▼ｎの高濃縮化の方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4193855A (en) * 1978-03-31 1980-03-18 Allied Chemical Corporation Isotope separation by multiphoton dissociation of methylamine with an infrared laser
US4387010A (en) * 1980-05-29 1983-06-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method of separating 15 N from natural abundance NO
JP2006102727A (ja) * 2004-10-04 2006-04-20 Japan Atom Energy Res Inst レーザーによる窒素同位体▲１５▼ｎの高濃縮化の方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Apatin V.M. et al. "Quantum electronics", volume 38, number 8, 2008, pp. 775-782. *
Karlov N.V. and others. Uspekhi fizicheskikh nauk, 1976, April, volume 118, issue 4, pp. 583-609. Kotsina N. et al., Chemical Physics Letters 651, 2016, 97-102, 03/18/2016. *
Апатин В.М. и др. "Квантовая электроника", том 38, номер 8, 2008, стр.775-782. *
Карлов Н.В. и др. Успехи физических наук, 1976, апрель, том 118, вып.4, стр.583-609. Kotsina N. et al., Chemical Physics Letters 651, 2016, 97-102, 18.03.2016. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Willitsch et al. Chemical applications of laser-and sympathetically-cooled ions in ion traps
Boesl et al. Two-photon ionization of polyatomic molecules in a mass spectrometer
Beyer et al. Progress in Atomic Spectroscopy: Part D
US4049515A (en) Laser isotope separation by multiple photon absorption
Schulenburg et al. Rovibrational photoionization dynamics of methyl and its isotopomers studied by high-resolution photoionization and photoelectron spectroscopy
Fassett et al. Laser resonance ionization mass spectrometry
Poterya et al. Experimental and theoretical study of the pyrrole cluster photochemistry: closing the πσ* dissociation pathway by complexation
RU2531178C2 (ru) Способ лазерного разделения изотопов водорода
RU2750381C1 (ru) Способ лазерного разделения изотопов азота
Beterov et al. Resonance radiation plasma (photoresonance plasma)
RU2652260C2 (ru) Способ лазерного разделения изотопов лития
RU2724748C1 (ru) Способ лазерного разделения изотопов кислорода
Hippler et al. Overtone spectroscopy by vibrationally assisted dissociation and photofragment ionization
RU2530062C2 (ru) Способ лазерного разделения изотопов хлора
RU2651338C2 (ru) Способ лазерного разделения изотопов йода
RU2620051C2 (ru) Способ лазерного разделения изотопов фтора
Greenberg Cold, Controlled, Ion-molecule Reactions
Fearey et al. Pulsed laser resonance ionization mass spectrometry for elementally selective detection of lead and bismuth mixtures
Schäfer Lasers for chemical applications
Yamazaki et al. Decomposition of cyclohexane ion induced by intense femtosecond laser fields by ion-trap time-of-flight mass spectrometry
Parthasarathy et al. Intensity and pressure effects in CO2 laser induced carbon-13 enrichment with temporally modified pulses
Walther et al. Absolute cross-sections for the nonresonant multi-photon ionization of toluene and xylene in the gas phase
von Helden et al. IR spectroscopy on gas-phase molecules with a free electron laser
Mortaheb Linear and nonlinear chiroptical activity in the gas phase and at surfaces
Letokhov I Laser Selective Photophysics and Photochemistry