ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Лекция-16 НИЯУ МИФИ
advertisement
НИЯУ МИФИ ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ Кафедра № 70 ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Лекция-16 Лазерное разделение изотопов Двухступенчатая фотоионизация Двухступенчатая фотоионизация является атомным аналогом селективной двухфотонной диссоциации. Этот процесс широко использовался при лазерном разделении изотопов в парах атомов. На рисунке приведены несколько возможных схем селективной двухступенчатой фотоионизации. Все процессы изотопически селективны в первом переходе, когда излучение точно настроено на линию поглощения только одного изотопа. Лазерное разделение изотопов Двухступенчатая фотоионизация Схема устройства для разделения изотопов методом двухступенчатой фотоионизации. Лазерное разделение изотопов Многофотонная диссоциация Многоатомная молекула, подвергаемая действию интенсивного ИК-излучения, в отсутствие соударений будет накапливать энергию поглощенного излучения в различных внутренних состояниях. При непрерывном облучении накапливаемая энергия может достигнуть величины, при которой происходит разрыв связи. Это явление часто сопровождается люминесценцией в видимой или УФобластях. Начальное поглощение фотонов ИК-излучения происходит путем последовательных колебательновращательных переходов до уровня запасенной молекулой энергии 0,5\,эВ. На этой стадии ангармоничность компенсируется сдвигами при переходе к другим вращательным ветвям (P →Q→R) с возрастанием колебательного уровня . Когда достигается высоковозбужденное колебательное состояние (ν=3 или 4), перекрытие колебательных состояний разных типов порождает квазиконтинуальное состояние. Это приводит к быстрому перераспределению накопленной энергии в соответствующую колебательную моду, что облегчает дальнейшее поглощение фотонов. Лазерное разделение изотопов Многофотонная диссоциация На рисунке показано, как возрастает плотность молекулярных колебательных состояний с увеличением энергии возбуждения некоторых многоатомных молекул. При ρкол > 1-10 на 1 см-1 возникает квазиконтинуум колебательных состояний. Для SF6 это состояние достигается при превышении энергии возбуждения всего 3000 см-1 Лазерное разделение изотопов серы На рисунке показан пороговый характер диссоциации молекул SF6 при возбуждении излучением CO2- лазера основного ν3 и составного ν2 + ν6 колебаний молекулы SF6 Лазерное разделение изотопов серы Зависимость коэффициента обогащения S32/S34 и сечения поглощения молекул SF6 от волнового числа лазерного излучения. Лазерное разделение изотопов изотопов в атомной энергетике Экономические проблемы. Типичный реактор на легкой воде вырабатывает 109 Вт энергии. Это требует переработки 600 тонн руды U3O8 для первой заправки и затем 200 тонн ежегодно для дозаправки. Топливо обогащается до содержания в 3% U235 при естественном содержании 0,75%. После обогащения остается обедненный UF6 с содержанием U235 в 0,2-0,3 %. В промышленности развиты два типа обогащения: газодиффузионное и газоцентрифуговое. Газовая диффузия требует затрат 5 МэВ на атом U235, технология центрифугового разделения – 0,3 МэВ на атом. Стоимость разделения составляет 5 млн. долларов на 1 тонну U235. Оценим энергетические затраты лазерного метода. Для разделения 1 атома требуется порядка 10 эВ, что с учетом к.п.д. лазеров, затрат на химическую обработку и содержания U235 в природной руде дает значение около 1 кэВ на атом. При этом очень высокая селективность, присущая лазерному методу позволила бы сократить потребности в новой руде на 40%. 2-ой путь – использование природного урана а реакторах с тяжелой водой. В этом случае возникает не менее сложная задача получения тяжелой воды, так как природное содержание дейтерия составляет 1 атом на 5000 атомов водорода. Лазерное разделение изотопов изотопов в атомной энергетике Принципиальная схема устройства центрифуги Газодиффузионный метод Лазерное разделение изотопов изотопов в атомной энергетике Принципиальная схема устройства центрифуги Каскад центрифуг Лазерное разделение изотопов изотопов в атомной энергетике По аналогии с разделением изотопов серы методом многофотонной диссоциации молекул SF6 были осуществлены попытки разделения изотопов урана многофотонной диссоциацией молекул гексафторида урана. Однако, в отличие от SF6, молекулы UF6 поглощают излучение в более длинноволновой области 16 мкм, в которой нет мощных лазерных источников. Преобразование излучения CO2- лазеров в этот диапазон с помощью комбинационного рассеяния в водороде позволило достичь эффекта разделения, однако коэффициент обогащения был значительно меньше, чем в случае SF6. Наиболее перспективным методом оказался метод ионизации атомов в атомарном пучке: AVLIS- метод (atomic vapor laser isotop separation). Несмотря на то, что температура кипения металлического урана составляет 2600 K, использование лазеров на парах меди со средней мощностью 4 кВт, длительностью импульса 20 нс и частотой повторения импульсов 23 кГц позволило получить достаточные для промышленного использования коэффициенты поглощения. Поскольку энергия ионизации U235 составляет 6 эВ, процесс ионизации обеспечивается за счет трехфотонного поглощения. AVLIS Лазерное разделение изотопов изотопов в атомной энергетике Наиболее перспективные методы для разделения изотопов урана. Однако, в 2012 было доказано, что технология SILEX на порядок эффективнее традиционного метода обогащения урана с помощью газовых центрифуг, а производство сопоставимой мощности занимает вчетверо меньшую территорию. Метод SILEX (акроним Separation of Isotopes by Laser Excitation, разделение изотопов путём лазерного возбуждения) был изобретён в Австралии в конце 1980-х; он отличается от традиционных технологий обогащения урана с помощью лазера — атомной (основанной на фотоионизации с помощью лазера со специфической длиной волны только атомов урана-235, но не атомов урана-238) и молекулярной (при которой ионизируются лишь молекулы гексафторида урана, содержащие атомы урана-235). Разделение изотопов при использовании SILEX осуществляется за счёт приведения молекулы SF6 с атомами урана-235 в возбуждённое состояние; метод является первым эффективным и выгодным способом лазерного обогащения урана (в 1960–1970-х годах на исследования в этой области тратились большие средства, проблемой занимались тысячи учёных в разных странах, но потом направление было признано неперспективным). Детали SILEX засекречены; известна всего одна фотография установки-прототипа. В 1996 году компания Silex Systems вступила в эксклюзивное партнёрство с американской USEC, а секреты стали достоянием правительства США; в 2006-м Silex и её технология перешли к GE. В 2009 году компания GE Hitachi Global Laser Enrichment, подразделение GE-Hitachi Nuclear Energy, усовершенствовала метод SILEX до такой степени, при которой промышленное производство обогащённого Лазерное разделение изотопов изотопов в атомной энергетике Технология SILEX Используется излучение CO2- лазера с параметрическим преобразованием частоты с помощью комбинационного рассеяния в пара-водороде, находящимся под давлением, в длину волны 16 мкм, которая резонансно поглощается молекулой UF6. Используется смесь UF6 с буферным газом, охлажденная для обеспечения селективного возбуждения молекул 235UF6. Концентрация молекул UF6 составляет 1015 см-3. Проектная мощность уилмингтонского завода — более 1 000 тонн топливного урана (от 3–4% урана-235), достаточная для обслуживания 60 блоков по 1 ГВт Лазерное разделение изотопов изотопов в атомной энергетике Технология SILEX Лабораторная установка SILEX Проектная мощность уилмингтонского завода — более 1 000 тонн топливного урана (от 3–4% урана-235), достаточная для обслуживания 60 блоков по 1 ГВт Лазерное получение тяжелой воды Совпадающие линии излучения C12O162-лазера и линии поглощения изотопного формальдегида. Еимп = 4 Дж tимп = 100нс β = 40 Лазерное получение тяжелой воды Использование излучения C12O162-лазера (R- ветвь 10.4 мкм для разделения фтороформа: природная смесь CF3H-CF3D Коэффициент обогащения - β = 5000 CF3D + nhν = CF2 + DF Лазерное получение особо чистых веществ В качестве примера приведем получение особо чистых материалов микроэлектроники. Для получения особо чистого кремния газ SiH4 очищался от остаточных примесей с помощью излучения эксимерного ArF- лазера с длиной волны 196 нм. В результате органические примеси диссоциировали и получен кремний с рекордным значением содержания примесей –1010 в см3. Один из важных материалов полупроводниковой электроники – трихлорид мышьяка – AsCl3 очищается от основных примесей – 1,2-дихлорэтана C2H4Cl2 и четыреххлористого углерода –CCl4 облучением излучения CO2- лазера, которое приводит к диссоциации молекул примесей при настройке частоты на соответствующие линии поглощения . Лазерный синтез новых соединений 1. Поливинилхлорид –лазерное излучение позволило снизить температуру синтеза и избавиться от примесей. 2. Синтез витамина D (2 стадии- KrF и азотный лазеры) 3. Фрагментация молекул: SF6--SF5--SF4 4. Синтез молекулярного полимера P2N5 Лазерная стереолитография Лазерная стереолитография С-37 Эскиз Компьютерная модель Пластиковая модель Создание пресс-формы для изготовления продувочной модели самолета ТУ-334 Лазерная стереолитография Пластиковые стереолитографические модели рабочих колес для водометных движителей, изготовленные по ним восковые модели («восковки») и готовая металлическая отливка ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В БИОМЕДИЦИНЕ Разработка и синтез новых полимеров и минерал-полимерных композитов для замены фрагментов скелета, регенерации костной ткани, изготовления матриц для тканевой инженерии От виртуальной модели до индивидуального имплантанта Использование лазерной стереолитографии в медицине: Схема получения пластиковых моделей для медицины Томографическое обследование пациента Томограмма: набор изображений отдельных слоев Использование лазерной стереолитографии в медицине: Схема получения пластиковых моделей для медицины Получение 3D компьютерной модели по томографическим данным, создание виртуальных имплантов, построение управляющей программы. Лазерное выращивание моделей
