CC BY
28ВОЗМОЖНОСТИ ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ В АТОМАРНЫХ ПАРАХ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ИЗОТОПОВ
П. А. Бохан, В. В. Бучанов*, Дм. Э. Закревский, М. А. Казарян*
Н. В. Фатеев
Member of International Editorial Board
Институт физики полупроводников СО РАН пр. Лаврентьева, 13, Новосибирск, 63009, Россия
* НПО «Астрофизика» Волоколамское шоссе, 95, Москва, 123424, Россия
** Физический институт им. Лебедева Ленинский пр-т, 53, Москва, 119991, Россия
Results of development of technology of Pb, Zn, Rb isotope separations by photoionization and photochemical methods are presented. For Pb we used the method based on coherent isotope-selective two-photon excitation of atoms with the subsequent ionization, that allowed to carry out economic clearing of a rare radioactive isotope of lead with productivity 1 g/s and production of a material with a radio-activity level of a 0,001 a/sm2h. For Zn with use of two-photon excitation in colliding beams with photochemical reaction the operating time the isotopically changed product with productivity 0,3 g/h with isotopic cleanliness of 66Zn isotope up to 98,5 % is carried out. The separation of isotopes of Zn and Rb was carried out by one-photon isotope-selective excitation of atoms into the long-living states combined with photochemical reaction. Prospects of development of laser methods of isotope separation in production of isotopically changed materials are discussed.
ВВЕДЕНИЕ
Использование стабильных и радиоизотопов началось практически сразу после их открытия и в настоящее время охватывает многие области человеческой деятельности. Несомненно, наиболее мощным стимулятором для развития методов разделения изотопов, в том числе и лазерного разделения изотопов, служат потребности ядерной энергетики, производство вооружений и медицины. Тем не менее, и в других областях достигнут уровень их использования, превышающий миллиард долларов в год. В табл. № 1 приведены некоторые примеры гражданского применения изотопов, а в табл. № 2 приведен список наиболее часто используемых в медицине стабильных и радиоизотопов. В настоящее время медико-биологическим исследованиям и лечению болезней с помощью изотопов принадлежит второе место по объему рынка после ядерной энергетики, причем в этих областях наблюдается устойчивый ежегодный рост на 5-10 % в последние 30 лет.
Сдерживающим фактором дальнейшего расширения использования изотопов является их высокая стоимость и трудности переориентирования «традиционных» мощностей по производству изотопов с одного продукта на другой. Например, этот процесс в центрифужной техноло-
гии или в технологии изотопного обмена может занимать месяцы. Поэтому актуальными являются иные «нетрадиционные» методы получения изотопов и изотопически модифицированных материалов, обладающие явными преимуществами. Интерес к лазерному разделению изотопов (ЛРИ) обусловлен тем, что он обладает рядом потенциальных достоинств [1], а именно: высокой селективностью элементарного акта разделения, возможностью выделения целевого изотопа, бесконтактностью способа взаимодействия, низкими затратами энергии, универсальностью и мобильностью метода разделения.
Основы лазерного разделения изотопов, в том числе разделения в атомарных парах, были заложены в СССР [2-4], где впоследствии проводились теоретические и экспериментальные исследования физических процессов, ответственных за эффективность ЛРИ, а также работы по созданию экспериментальных лазерных комплексов и систем для разделения изотопов [5-17]. Однако несмотря на это, первые обнадеживающие экспериментальные результаты по ЛРИ в атомарных парах по наработке значительного количества требуемого изотопа были получены за рубежом [18-20]. В те времена такое состояние дел было связано с отсутствием соответствующей программы в СССР, касающейся разви-
Статья поступила в редакцию 10.11.2006 г.
The article has entered in publishing office 10.11.2006.
Таблица 1
Области и виды применений изотопов
Область применения Вид применения
Биология, биохимия, биотехнология, физиология Исследование процессов метаболизма, обмена веществ, структуры и функций биологических молекул, биологические трассеры, мутации живых организмов
Космология Происхождение и эволюция Вселенной, звездных систем и планет
Медицина Ядерная диагностика заболеваний, изучение функций и функционирования органов, позитронная, у- и ЯМР-томографии, радионуклидное лечение избранных органов, исследование функционирования лекарственных препаратов
Науки о Земле: геология, геохимия, геофизика, гидрология, науки о море Определение возраста пород: радиометрический полевой анализ; активационные методы поиска и хранения залежей полезных ископаемых; накопление и миграция подземных вод; динамика озер и водохранилищ; контроль стока рек и океанических течений
Питание Исследование свойств пищи с целью предотвращения онкологических заболеваний, сердечно-сосудистых заболеваний, нарушения пищеварения, нарушений обмена веществ; энергетика метаболизма, включая отдельные органы
Промышленное производство и контроль технологических процессов Материаловедение; определение скорости и расхода материалов; определение толщины и структуры материалов и изделий; дефектоскопия; исследование процессов смешивания, горения, диффузии, фазовых превращений; производство вычислительной техники
Сельскохозяйственное производство Выведение наиболее устойчивых к колебаниям погодных условий высокоурожайных растений; улучшение пород домашних животных; повышение сохранности урожая; изучение процессов фотосинтеза, усвояемости удобрений и микроэлементов
Физико-химические науки Ядерно-физические эксперименты, фундаментальные законы мироздания, активационный анализ, протекание химических превращений и процессов
Экология и исследование окружающей среды Исследование глобальных процессов загрязнения окружающей среды, концентрирования вредных веществ в пищевых цепочках биологических организмов, исследование парникового эффекта и механизма образования озоновых дыр
Энергетика Топливо для ядерных и термоядерных электростанций, конструкционные и вспомогательные материалы для ядерно-энергетических установок
тия лазерных методов разделения изотопов в атомарных парах.
Первоначально идеи ЛРИ в физическом и промышленном аспектах развивались в рамках национальных AVLIS (Atomic Vapour Laser Isotope Separation) программ применительно к задачам обогащения урана [21-23]. В СССР и в настоящее время в России интерес к ЛРИ именно урана не столь выражен. Очевидно, это происходит в связи с существованием иных высокоэффективных производств обогащенного урана. Но вот к ЛРИ других элементов проявляется в последнее время все возрастающее внимание.
Особенно это касается элементов, производство которых либо возможно только методами ЛРИ, либо экономически более привлекательно по сравнению с другими методами разделения изотопов. Продемонстрирован и обозначен интерес к изотопам свинца [24-26], иттербия [16], палладия [27], лития [28], неодима [29], тулия [30], цинка [31] и других [32].
В последние годы достигнут значительный прогресс в развитии лазерной физики, а также методов перестройки, контроля и стабилизации частоты лазерного излучения. Это превратило лазерные источники из научных и лаборатор-
Таблица 2
Применение отдельных изотопов в медицине
Изотоп Применение (лечение, диагностика, исследования)
225Ac 211At 10B 211Bi, 213Bi 77Br Радиационная терапия Радиационная терапия Маркировка пищи для определения роли бора в метаболизме Радиационная терапия Радионуклидный индикатор
11C 13C 42Ca, 44Ca, 46Ca, 48Ca 112Cd 35Cl, 37Cl Позитронная томография Изучение реакций в органической химии; изотопные тесты дыхания; изучение молекулярной структуры больших биологических молекул и т.д. Метаболизм кальция; роль пищевого кальция при беременности, росте и развитии; болезни костей Производство ш1п для у-диагностики и терапии открытыми источниками. Изучение токсичности внешних загрязнителей
50Cr 51Cr 53Cr, 54Cr 63Cu, 65Cu D (H) Производство 51Сг, для у-диагностики у-томография Неинвазивное изучение метаболизма хрома и потребностей человеческого организма в нем Неинвазивное изучение метаболизма меди и потребностей человеческого организма в ней; исследование врожденных расстройств; исследование в области прочности тканей, включая миокард Исследования витаминов, механизмов химических реакций
18Fe 52Fe 54Fe, 57Fe, 58Fe 67Ga 68Ga Позитронная томография Индикация процессов кровообращения в организме человека Метаболизм, изучение энергетических затрат и контроль генетических механизмов, исследование и лечение анемии, изучение условий для усвоения железа у-томография Позитронная томография
76Ge 3He 166Ho 123j 131I Производство 77As Изучение живых организмов методом ЯМР Радиационная терапия у-томография, радионуклидный индикатор у-томография
111In 78Kr, 80Kr, 82Kr, 84Kr, 86Kr 81Kr 6L1 25Mg, 26Mg у-томография Диагностика легочных заболеваний у-томография Физиология почек, мембранная проницаемость, психические заболевания Неинвазивное изучение требований к человеческому питанию, метаболизм и усвоение пищи; развитие сердечно-сосудистых заболеваний
52Mn 94Mo, 96Mo, 97Mo, 100Mo 99Mo 100Mo (чистотой 99.99%) 13N Индикатор биологических процессов в организмах Внешнее маркирование продовольственных продуктов для определения потребностей человека в пище Материнский продукт для получения 99Тс Мишень при циклотронном получении 99Тс Позитронная томография
15n 57N1 14O, 15O 17O 18O Крупномасштабное использование для исследования круговорота и усвояемости азота в сельскохозяйственном производстве; синтез; катаболизм и оборот протеина в организме; метаболизм в тканях Индикатор биологических процессов в организме человека Позитронная томография Исследования в структурной биологии, изучение катаракты Исследование энергетического потребления живыми организмами (от растений до человека, сравнительные и относительные), исследование обмена веществ
32p 203Pb 103Pd 81Rb 82Rb Радиационная терапия у-томография у-томография Материнский продукт для получения 81Кг Позитронная томография
Окончание таблицы 2 Применение отдельных изотопов в медицине
85Rb, 87Rb 186Re, 188Re 33S, 34S 73Se 74Se, 76Se, 77Se, 78Se, 80Se, 82Se Получение радиоизотопа 8!^г; трассеры натриевого метаболизма; исследование психических заболеваний Радиационная терапия Исследование генома человека Радионуклидный индикатор в биологических процессах с участием селена Исследование роли селена в биологических процессах в организме человека
153Sm 113Sn 117Sn 82Sr 89Sr Радиационная терапия Радиопродукт для получения "^п Радиационная терапия Получение 82И> Радиационная терапия
90Sr 99Tc 122Te 123Te, 124Te 201Tl Радиопродукт для получения у-томография Материнский изотоп для получения 131! Материнский изотоп для получения 123! у-томография
51V 188W 124Xe 129Xe 90y 64 67 68 70 Zn, Zn, Zn, Zn Изучение диабета, усвояемости биопродуктов, метаболизма Радиопродукт для получения 188Re Материнский изотоп для получения 131! Магниторезонансная томография Радиационная терапия Неинвазивное определение потребностей организма в цинке; исследование нарушений в метаболизме; заболевания печени; исследование усвояемости пищи и потребности в ней
ных приборов в практически промышленные устройства, открыло новые возможности их применения и в настоящее время значительно упростило использование методов ЛРИ для получения как изотопически, так и химически чистых веществ. Это позволяет надеяться на прорыв в создании уже промышленных установок для селекции изотопов. Очевидно, что потребности ЛРИ формировали требования к лазерной физике и научному приборостроению, и обратно: развитие элементной базы устройств определяло возможности комплексов по ЛРИ.
Основополагающим принципом любого оптического метода разделения изотопов является воздействие только на выбранный сорт атомов за счет селективного поглощения ими узкополосного излучения с последующей экстракцией возбужденных или ионизированных атомов в каком-либо процессе. Очевидно, что первичным в оптическом способе разделения является воздействие перестраиваемого узкополосного стабильного по частоте и мощности излучения с длиной волны, попадающей или в резонанс, или с некоторой отстройкой в линию поглощения выделенного изотопа. Соответственно, необходимо использование лазерных источников, генерирующих перестраиваемое когерентное излучение с нужными параметрами в заданном спектральном диапазоне. Для целей ЛРИ интерес, в первую очередь, представляют лазеры на растворах органических красителей, а в последнее время — и перестраиваемые по частоте твердотельные (в частности, титан-сапфировые) лазеры. И те, и дру-
гие для своего функционирования требуют оптической накачки, в качестве которой в основном используется когерентное излучение лазеров на парах меди. В последнее время проявляется интерес к использованию в качестве лазеров накачки и быстро прогрессирующих твердотельных устройств — второй гармоники УЛС:УЬ и YAG:Nd лазеров с полупроводниковой накачкой. В работе с объектами, требующими для своего возбуждения УФ-излучение, применяются системы удвоения частоты излучения перестраиваемых лазеров на нелинейных кристаллах.
Известные нам современные крупномасштабные комплексы ЛРИ используют единую концепцию и построены по общей схеме. Для воздействия на вещество используется одночастотное узкополосное излучение лазеров на красителях, которые накачиваются излучением лазеров на парах меди. Для увеличения мощности как лазеров на красителях, так и лазеров накачки используется схема «задающий генератор—предварительный усилитель—оконечный усилитель». Лазерные источники, в свою очередь, могут организовываться в параллельные каналы.
Рассматривая перспективы и возможности практического использования метода ЛРИ в атомарных парах для эффективного производства изотопически модифицированных материалов, надо учесть ту специфику изотопического рынка, что определение потребностей в уже производимых изотопах и индикация интереса к новым очень часто сталкиваются с большими трудностями. С одной стороны, необходимо отделить
реальный интерес от сиюминутного спекулятивного, обусловленного очень большой ценой на некоторые изотопы. С другой стороны, даже демонстрация интереса к отдельным изотопам может раскрыть новые «know how» в наукоемких технологиях, что является и промышленным, и коммерческим секретом. Поэтому авторы сосредоточили свое внимание на изучении и развитии технологии получения некоторых отдельных изотопов, имеющих достоверно подтвержденные применения, на основе которых можно построить экономически выгодные производства. Работы осуществлены в Институте физики полупроводников СО РАН, где реализовано лазерное разделение изотопов свинца, цинка, рубидия с использованием методов лазерной фотоионизации и фотохимии. Наиболее важные научные аспекты проблемы выделения этих изотопов отображены в публикациях [25, 31, 33], в монографии [34], а описание лазерного комплекса, функциональная схема, которого приведена на рис. 1 — в [35].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ Низкорадиоактивный свинец
Свинец является одним из ключевых материалов современных высокотехнологичных производств, хотя требования по сохранению окружающей среды, по-видимому, являются существенным сдерживающим фактором роста объема производства и применения свинца в настоящее время [36].
Низкорадиоактивный свинец используется для производства микропроцессоров с тактовой частотой свыше 500 МГц по «flip-chip» технологии. Ввиду насыщенности чипа свинцом, который наносится в виде полусфер (bamp) по всей поверхности кремниевой пластины, элементы микропроцессора, в частности, элементы памяти, подвергаются облучению а-частицами, образующимися при распаде 210Pb в цепи 210Pb ^ 210Bi + Р ^ 210Ро + Р ^ 206Pb + а. При малых размерах элемента, характерных для микропроцессоров с большой производительностью, проникновение а-частицы нарушает непроводящее состояние [37] и происходит самопроизвольный сброс информации (soft error). Чем выше плотность упаковки, тем более высокие требования предъявляются к чистоте свинца по отношению 210Pb, как и к другим конструкционным материалам процессора [38]. Современный уровень требований по радиоактивности к свинцу, как и к другим материалам, составляет ~0,001 а/см2-ч с тем, чтобы суммарный уровень радиоактивности не превышал эквивалентный уровень космического фона ~0,002 а/см2 ч.
Получение малорадиоактивного свинца лазерными ме-
тодами исследовано в [24, 25] и уже осуществляется в полупромышленных масштабах [39]. Производственный цикл разбивается на два этапа. На первом происходит отбор свинцовых руд с низким уровнем природной радиоактивности с последующим выделением минерала PbS (галенит). Далее производится выплавка свинца по технологиям, исключающим дополнительное заражение материала радиоактивностью, с последующей очисткой методами вакуумной дистилляции или электрохимической очисткой. Такой материал поставляется на мировой рынок корпорациями «Mitsubishi Material» с рекламируемой активностью на уровне 0,05 а/см2-ч, «Jonson Mathey Electronics» с активностью 0,02 а/см2-ч и компанией «Pure Technologies» (с производственной базой в России) с активностью свинца 0,01 а/см2ч.
Начиная с уровня 0,05 а/см2-ч, методы лазерной очистки ординарного свинца конкурентны с методами выделения низкорадиоактивного свинца из природных руд, а для уровня активности менее 0,01 а/см2-ч они не имеют альтернативы для получения свинца в промышленных масштабах. Именно такой свинец с качеством лучше 0,005 а/см2-ч производится компанией «Когерентные технологии» (г. Новосибирск) при научном обеспечении ИФП СО РАН. Уровень цен на низкорадиоактивный свинец составляет в зависимости от качества 100-500 USD/кг. К началу этого тысячелетия в мире производилось около 109 микропроцессоров по «flip-chip» технологии. Ожидается, что к 2015 году их производство достигнет ~1010 микропроцессоров в год. Количество «bamp» в одном чипе достигает 104 при их размерах 50-100 мкм. Это соответствует технологическому расходу свинца ~30 мг на чип, или 300 т/год. Даже при стоимости ~500 USD/кг низкорадиоактивного свинца стоимость свинца составит ~0,015 USD на один чип, что есть ничтожная доля его стоимости. Тем не менее общая стоимость свинца составит ~100M USD/год, и это является приемлемой цифрой для создания крупномасштабного производства.
Ar+ лазер
-V
РС
синхронизатор
Генератор на „ красителе
Чг
Генератор на красителе
Cu генератор
Cu усилитель
й
Cu усилитель
^-метр
Я.-метр
Р
Усилители на красителях ВВ О
vQ-Q-Q^
/ / /
UV1
Cu усилитель
UV2
Nd:YAG
IR
Рис. 1. Функциональная схема комплекса для лазерного разделения изотопов
R
Методы получения изотонически модифицированного материала
Рассмотрим возможности удаления радиоактивного изотопа 210РЬ методами лазерной фотоионизации. Изотоп 210РЬ может быть удален из свинца только методами разделения изотопов, и для ЛРИ эта задача является практически идеальной [40]. Концентрация указанного изотопа в свинце чрезвычайно мала и составляет всего ~10-13 %. В этом случае поглощение излучения на атомах 210РЬ пренебрежимо мало, и смягчаются проблемы, связанные с самофокусировкой излучения и пространственно-временным согласованием импульсов излучения. В результате оказывается возможным использовать достаточно протяженные области взаимодействия излучения с веществом (несколько десятков метров).
На рис.2 показана схема уровней атомов свинца, которые могут быть использованы в процессе фотоионизации. Сплошными линиями обозначены возможные каналы фотоионизации, пунктирными линиями — переходы, обусловленные спонтанным распадом уровней. Первый переход с основного на резонансный уровень определяется практически однозначно, так как переходы на более высокие уровни требуют слишком малых длин волн излучения. По второму переходу есть два возможных варианта. В первом случае возбуждается уровень 7р3В1 излучением УАО^^лазера. Выбор этого лазера обусловлен тем, что частота его излучения всего на 6 см-1 выше, чем частота перехода и поэтому настраивается на точный резонанс изменением температуры рабочего кристалла. Во втором случае возбуждается уровень 8р3Р1 излучением лазера на красителе родамин — 6С. Вопрос о выборе фото-ионизирующего излучения в значительной степени зависит от структуры автоионизационных уровней и времени их жизни. Были выбраны автоионизационные уровни, сечение возбуждения
которых находится на уровне 10
-15,
т-2
В этом
случае обеспечивалось превышение вероятности фотоионизации над вероятностью радиационного распада верхнего уровня при сравнительно небольших мощностях ионизирующего излучения. Необходимо было определить условия максимальной производительности системы с учетом ограничений на параметры излучения. Это свелось к нахождению условий, при которых за время
8p3D2
600,2 нм
7s3Pi
7p3Di
283нм
6p23P0
I Автоионизационные состояния
;
1060 нм-1
Верхние уровни в [двухфотонном возбуждении
Резонансный уровень
Метастабильные уровни
Рис. 2. Схема переходов в атоме свинца
одного импульса излучения во всем активном объеме образовывалось максимально возможное количество ионов изотопа 210РЬ при заданной степени ионизации этого изотопа (не менее 0,9). При этом энергия излучения на одном переходе ограничена уровнем приблизительно 0,5 мДж.
Выбор параметров излучения при фотоионизационном выделении 210РЬ обсуждался в работе [40]. Расчеты проводились для условий идеально коллимированного атомарного пучка. Показано, что предпочтительно использовать двухфотонное когерентное возбуждение уровня, с которого осуществляется фотоионизация. Было также выяснено, что основное ограничение в производительности системы связано с поглощением излучения атомами всех изотопов, кроме выделяемого 210РЬ, содержание которого пренебрежимо мало в смеси. Минимизация поглощения приводит к жестким требованиям на величину отстройки от точного резонанса. Последняя зависит от энергий излучения и длительностей импульсов. Для каждой энергии излучения существует своя оптимальная отстройка частоты. При энергиях в 50 мкДж/см2 она находится в диапазоне 30-60 ГГц в зависимости от формы импульсов.
На рис. 3 показаны результаты расчета, реализованные на практике, с оптимальными отстройками частоты и задержкой ионизирующего импульса для схемы переходов 6р2 3Р0 ^ 7э3Р1 ^ ^ 8р3Б2. Помимо временных профилей импульсов на графике приведены кривые для относительной населенности третьего уровня (п3), мета-стабильных уровней (пт) и концентрации ионов (п) изотопа 210РЬ. Для этого варианта выбирались следующие параметры: энергии импульсов на первом и во втором переходах — 50 мкДж/см2; длительности импульсов по полувысоте 15 нс; средняя вероятность фотоионизации третьего уровня 109с-1; длительность импульса фотоионизации по полувысоте 10 нс; отстройка резонансной частоты 47 ГГц; отстройка суммы двух частот от двухфотонного резонанса 30 МГц. В данном случае степень ионизации изотопа 210РЬ превышает 0,9. Степень ионизации остальных изотопов составила величину, близкую к 0,001.
В последнее время на рынке материалов для микроэлектроники увеличивается спрос на свинец, у которого содержание изотопа 210РЬ уменьшено в 100-1000 раз по сравнению с его содержанием в природном свинце. Поэтому необходимо несколько раз провести фотоионизацию. Промежуток в 10 см атомы свинца в коллимированном пучке проходят за время, достаточное для того, чтобы трижды осуществить процесс фотоионизации при частоте следования импульсов в 10 кГц. Однако действие третьего импульса уже не дает желаемого эффекта, так как на метастабильных уровнях накапливается более 2,5 % атомов за один импульс, которые выпадают из процесса фотоионизации. Поэтому желательно предпринять специальные меры по разрушению метаста-
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Рис. 3. Временные зависимости населенностей верхнего п , метастабильных уровней п, концентрации ионов п, а также фотоионизирующего импульса и импульсов излучения
бильных атомов в интервале времени между импульсами излучения.
При использовании 50 % мощности излучения по первому переходу предельная производительность системы в наших условиях составляет ~1 г/с (около 2 т изотопно измененного продукта в месяц при круглосуточной работе) при себестоимости ~40 иБО/кг. Результаты измерения радиоактивности произведенного свинца показали, что уровень а-активности оказался менее 0,001 а/см2ч.
Получение низкорадиоактивного свинца по данной технологии является коммерчески выгодным крупномасштабным производством.
Изотопически обогащенный свинец
В последнее время обозначен интерес к изо-топически модифицированному свинцу и в качестве теплоносителя. Развитие атомной энергетики в мире связывается с разработкой и созданием перспективных ядерно-энергетических установок, использующих быстрые нейтроны. К ним относятся: энергетические быстрые реакторы, специальные реакторы с жестким спектром нейтронов для выжигания трансуранов и подкритические электроядерные установки. Во всех указанных установках предполагается использовать тяжелый металлический теплоноситель и конвертор протонов в нейтроны, а именно — свинец или сплав свинца с висмутом. С точки зрения распространенности в природе и активируемости в нейтронном спектре ядерно-энергетических установок преимущество в выборе теплоносителя отдается свинцу. Однако, несмотря на малую активацию свинца по сравнению с другими теплоносителями, его длительное облучение приводит к наработке чрезвычайно опасных альфа- и гамма-радионуклидов, в том числе 210Ро и 207В1. Их генерация в теплоносителе связана с большим содержанием (52,3 %) изотопа 208РЬ в природном свинце. Показано, что теплоноситель, высокообогащенный до 9599 % по изотопу 20бРЬ (содержание в естественной смеси 25,1%), нарабатывает значительно меньше (в 103-104 раз) радионуклидов полония и висмута, нежели природный свинец [41]. Общая потребность в свинцовом теплоносителе для реакторов на быстрых нейтронах к 2015 г. может составить ~2000 т/год. Повторно свинцо-
вый теплоноситель, обогащенный по 20бРЬ, может быть использован вновь через 1-2 года выдержки вместо 50-100 лет при использовании теплоносителя из природного свинца.
Благоприятным фактором является то, что получение и применение 208РЬ также актуально. Он может использоваться в немногочисленных специальных реакторах-выжигателях на быстрых нейтронах с жестким нейтронным спектром, предназначенных для выжигания высокотоксичных актинидов (237Мр, 242Ри, 241Лш и 243Лш), которые накапливаются в ядерном топливе за время работы реактора. Эти долгоживущие изотопы несут основной вклад в опасность от высокоактивных отходов. В ядерной энергетике предполагается задействовать 3-5 % реакторов-выжигателей. Предварительные расчеты показывают, что при использовании 208РЬ вместо природного свинца в качестве теплоносителя в быстрых реакторах повышается производительность процесса трансмутации актинидов примерно на 25 %. Выжигание актинидов в специальном реакторе существенно не уменьшит стоимость электроэнергии, но значительно улучшит экологическую чистоту отработанного ядерного топлива [42].
В связи с этим необходимо реализовать технологию разделения изотопов свинца с целью получения значительных количеств (сотни тонн) изотопов свинца 20бРЬ и 208РЬ по приемлемой стоимости (например, стоимость получения данных изотопов электромагнитным способом достигает ~5000 "ОБО/г, а при центрифугировании ~20иЯВ/г). При этом 20бРЬ будет использоваться как «малоактивируемый» теплоноситель и конвертор для быстрых реакторов, а отвальный 208РЬ — как «слабозамедляющий» теплоноситель в специальных выжигателях трансуранов.
Метод получения изотонически модифицированного материала
Очевидно, что лазерная фотоионизационная технология получения значительных количеств дешевого продукта является трудно реализуемой. Для получения больших количеств изотопа предлагается использование лазерной технологии [43], основанной на «выжигании» селективно возбужденных состояний атомов свинца за счет фотохимических селективных реакций [34]. Ранее этот метод был реализован для и ИЬ. Наличие низкорасположенных долгоживу-щих метастабильных состояний у свинца и применение для возбуждения полупроводниковых лазеров может на 2-3 порядка уменьшить энергетическую цену разделения. Предварительные экономические оценки показывают, что себестоимость получения 20бРЬ методом лазерной фотохимии может быть снижена до 0,1 "ОБО/г.
Цинк
Широкое применение находит использование изотопически измененного цинка с одной стороны в качестве медицинских препаратов, с другой — материала, актуального для ядерной энергетики. В частности, была установлена за-
висимость, которая указывала на то, что присутствие в реакторной воде АЭС ионов цинка ограничивает рост мощности доз облучения от оборудования; наблюдались более низкие мощности доз гамма-излучения, обусловленного 60Со. Добавки природного цинка привели к снижению содержания 60Со, но увеличили содержание б^п, образующегося в потоке тепловых нейтронов по реакции б^п(п, у)б^п. Поэтому применение обедненного по б^п цинка приводит к снижению кобальтовой составляющей в мощности доз у-из-лучения от 4 до 20 раз для разного вида реакторов [44]. При потребности в сотни килограммов подобного материала и при соответствующей его стоимости (стоимость изотопов цинка для «традиционных» методов превышает 1000и80/г) создание и применение «дешевых» технологий становится экономически оправдано.
Методы получения изотопически модифицированного материала
Атом цинка, как и некоторые другие, относится к числу элементов, разделение изотопов которого в весовых количествах методами селективной лазерной фотоионизации вызывает затруднения. Главными причинами являются плохая аккомодация даже на холодных поверхностях и отсутствие близколежащих к границе ионизации автоионизационных состояний.
Изотопический состав цинка в естественной смеси состоит из четных — б^п (48,6 %), б^п (27,9%), б^п (18,8%), 7(^п (0,6%) — и нечетного — б7^п (4,1%) — изотопов. Доплеровская ширина линии поглощения заметно превышает характерный изотопический сдвиг. Поэтому изотопическая структура скрыта доплеровским контуром. В работах [31, 33] экспериментально продемонстрировано разделение изотопов для атомов цинка разными способами.
В первом случае в основу метода разделения положено двухфотонное возбуждение 7п в состояние 6э381, при поглощении двух встречных фотонов = 307,6 нм и Х2 = 303,6 нм) (рис.4). Близость энергии этих фотонов в таком процессе обеспечивает устранение доплеровского уши-рения до величины 16 МГц, что существенно меньше изотопных сдвигов. Состояние 6э381 затем распадается в 4р3Р0 в цепочке спонтанных и вынужденных переходов как через промежуточные уровни 5р3Р
о
0,1,2
и
5s3S1, так и напрямую. Интеркомбинационные переходы между системами синглетных и триплетных уровней атома Zn очень слабы, поэтому после двухфо-тонного возбуждения благодаря быстрым процессам (за времена менее 30 нс) все атомы оказываются в состоянии 4p3P0j. Для предотвращения прямого изотопически неселективного возбуждения атомов Zn в однофотонном процессе накачки по первому интеркомбинационному переходу частота излучения лазера отстраивалась от точного резонанса c ним на 4-5 допле-ровских полуширин, 8v1 = 4-5AvD.
Для выделения нужного изотопа использовалась экзотермическая фотохимическая реакция:
Zn*
(0,1,2)
+ CO2 ^ ZnO + CO +1,3 эВ.
(1)
Рис. 4. Схема рабочих переходов в атоме цинка
Измерения константы скорости к* этой реакции осуществлялись в прокачиваемой газовой ячейке по скорости наработки СО. В пределах ошибки измерений (20 %) к* не зависит от температуры и равна к* = 2,510-10 см3с-1. Константа скорости реакции атомов цинка, находящихся в основном состоянии с молекулами СО2, описывается формулой:
к(см2/с) = 7,910"8exp(-10886/T), T (К).
При рабочих температурах (T« 350 °С) она на 4-5 порядков ниже, чем скорость реакции возбужденного атома. Это обеспечивает высокую селективность процесса. При давлении газа СО2 0,1 Торр скорость реакции на порядок превышает вероятность спонтанного распада 4p3P0j состояния (105с-1). Квантовая эффективность превышает 50 % . Наряду с привлекательностью этой реакции для лазерного разделения атомов цинка у нее имеются и существенные недостатки, так как двухфотонный резонанс в 6s3S1 состоянии имеет аномально большое уширение при столкновениях с молекулами СО2 — 35 МГц/Торр [45], обусловленное резонансными процессами столкновений. Это соответствует абсолютному значению константы скорости уширения к = = 6,210-9 см3с-1, что превышает значение константы скорости химической реакции. Несмотря на то, что в финале этого процесса атомы находятся в нужном состоянии 4p3P0j, результатом его является небольшая потеря селективности и в большей степени уменьшение эффективности возбуждения за счет уширения контура поглощения.
Образующиеся молекулы СО выкачиваются из области разделения. Разделение изотопов проводилось в разных схемах продольной и поперечной прокачки газовой смеси CO2 с Zn при относительно высоком давлении CO2 (~1 Торр). Так как
концентрация атомов Zn невелика (-101
3),
то для повышения производительности при реальной наработке продукта необходима более высокая скорость прокачки Zn через рабочую об-
см
ласть разделительного модуля. При поглощенной средней мощности 2 Вт количество прореагировавших атомов Ма, примерно равное количеству поглощенных фотонов (без учета квантовой эффективности и других процессов) N = Р/ку, где Р — средняя поглощенная мощность излучения, ку — энергия кванта на резонансном переходе. При Р = 2 Вт число прореагировавших атомов N = 3,21018 с-1, что соответствует скорости прокачки 320 л/с. Давление газа-реагента и буферного газа на ~3-4 порядка больше, что вызывает трудности при их прокачке и паров 7п в общем потоке. Поэтому преимущественно использовалась двухмерная прокачка рабочей смеси вдоль луча со скоростью ~2 л/с и цинка поперек луча от испарителя до холодной стенки.
В дальнейшей наработке изотопического материала использовалась более эффективная фотохимическая реакция цинка с диэтиловым эфиром:
2п*(4р3Ро,и ) + (С2И5 )2 О ^ гпО + (С2И5 )2. (2)
Продуктом подобных химических реакций является устойчивое соединение 7пО, которое осаждается на коллекторе. В промежуточной области прокачки 7п находился коллектор для сбора продукта в виде изотопически измененной окиси цинка, которая и являлась продуктом. Далее использовались химические методы для извлечения изотопно обогащенного продукта — цинка.
На рис. 5 представлены сигналы люминесценции при различных экспериментальных параметрах, возникающей после двухфотонного поглощения 4э1Б0 - бэ3Б1 в зависимости от отстройки частоты второго перехода у2, демонстрирующие разделение изотопов 7п. При малой концентрации атомов (спектр «а») и сравнитель-
1000 2000 5\'2, МГц
Рис. 5. Спектр люминесценции на длине волны 1,3 мкм в зависимости от 8у2 при 8у1 = 5 ГГц: а — Е1, Е2 = = 150 мкДж-см-2, п = 1,б-1013 см-3; б — Е1, Е2 = 150 мкДж-см-2, п = 2,4-1014 см-3; в — Е1, Е2 = 400 мкДж-см-2, п = 1,б-1013см-3; г —Е , Е2 = 550 мкДж-см-2, п = 1.6-1013 см-3
но небольшой мощности лазеров получается полностью разрешенная изотопическая структура. Предельная ширина спектра отдельного изотопа составляет 70 МГц и обусловлена конечной шириной линии излучения лазеров.
При большой концентрации атомов 7п (спектр «б») или высокой плотности излучения (спектр «в») линии двухфотонного резонанса сильно уширены и могут быть полностью перекрыты (запись «г»). Экспериментальные данные в соответствии с результатами расчетов показали, что имеет место эффект увеличения ширины линии поглощения с возрастанием концентрации атомов изотопа или интенсивности излучения. Этот эффект может быть объяснен тем, что с их ростом увеличивается доля поглощенного излучения, что приводит к более высокой мощности сверхсветимости и, как следствие, к увеличению частоты вынужденных переходов. В результате возрастает ширина линии поглощения, что приводит к уменьшению селективности выделения изотопа. При заданной селективности разделения изотопов описанный эффект накладывает ограничение сверху на плотность мощности излучения лазеров и концентрацию атомов выделяемого изотопа. Эффективность процесса разделения изотопов определяется долей излучения, поглощенного в процессе двухфотонной накачки. Следует отметить, что при двухфотонном поглощении двух встречных фотонов в процессе поглощения монохроматического излучения участвуют все «нужные» атомы. Селективность процесса разделения определяется степенью перекрытия линий двухфотонного резонанса. Степень перекрытия зависит от отстройки частоты, энергии излучения и концентрации атомов.
Требования по эффективности и селективности противоречат друг другу, поэтому для каждой отдельной технологической задачи нужен выбор оптимального компромисса между удельной производительностью, эффективностью и селективностью процесса разделения. Например, при селективности 50-100 плотность энергии излучения Е1 и Е2 не должна превышать 350 мкДж-см-2 при 8 = 9 ГГц, а концентрация атомов цинка должна быть не выше 21013 см-3. В этих условиях достигается эквивалентный коэффициент поглощения для изотопа бб7п ку ~ (3-4)10-3 см-1, что позволяет эффективно (до 50 %) использовать излучение накачки при умеренных длинах поглощения 150-200 см. Производительность комплекса для этого случая составляет 0,б г/ч и позволяет нарабатывать коммерческий продукт с чистотой по целевому изотопу не менее 98 % при себестоимости на уровне 200 иБО/г, определяемой в основном дороговизной и малым сроком службы медных лазеров. Необходимая селективность разделения достигается выбором соответствующих параметров накачки.
Таким образом, использование двухфотонного возбуждения, свободного от доплеровского уши-рения, с малой отстройкой от промежуточного состояния в сочетании с фотохимической реакцией позволяет проводить эффективное разделе-
ние изотопов для случая, когда резонансные переходы всех разделяемых изотопов находятся внутри доплеровского контура поглощения.
Но использование двухфотонного метода возбуждения требует наличия двух мощных перестраиваемых источников излучений в ультрафиолетовой области спектра, что усложняет и делает дороже установки по ЛРИ и увеличивает себестоимость продукта. Также даже при хорошей селективности и эффективном возбуждении нижних рабочих состояний для многих элементов из-за отсутствия близколежащих автоионизационных состояний не всегда удается подобрать приемлемые маршруты ионизации или перекачки нужного изотопа на следующие возбужденные уровни. Перспективным является применение в лазерной фотохимии (даже если их изотопная структура скрыта доплеровским контуром) метода [33], в котором используется свойство доплеровского контура, заключающееся в том, что с увеличением отстройки частоты одновременно от частот линий всех изотопов возрастает селективность возбуждения. Отношение вероятностей возбуждения атомов разных изотопов линией излучения с узким спектром возрастает по мере увеличения отстройки.
Обычно излучение лазера имеет меньшую ширину линии, чем неоднородная доплеровская ширина перехода. За один импульс излучением с узким спектром, особенно если воздействие осуществляется на краю доплеровского контура, возбуждается малая доля атомов. Тем не менее, за многократное количество импульсов можно полностью возбудить и «выжечь» тот изотоп, положение линии которого наиболее близко к частоте излучения. При этом можно создать условия, при которых концентрация атомов остальных изотопов уменьшится незначительно. Чтобы обеспечить многократное воздействие излучения на атомы, используется продольный или поперечный режим относительно слабой прокачки смеси исходного изотопа, газа-реагента и буферного инертного газа. Во многих случаях за один проход смеси газов через активную зону можно «выжечь» за счет химической реакции одновременно несколько изотопов, сохранив при этом нужные изотопы. Математическая модель метода изложена в [34], из которой следует, что выбор энергии излучения для эффективного разделения изотопов должен удовлетворить некоторым специфическим требованиям:
1) энергия излучения не должна превышать уровня насыщения среды по всей длине активной зоны. Иначе среда становится прозрачной, и излучение больше не возбуждает атомы выделяемого изотопа. При этом энергия излучения не только бесполезно теряется, но и ухудшает селективность, возбуждая еще ненасыщенные атомы нежелательных изотопов. Чем меньше энергия излучения, тем выше селективность возбуждения;
2) высокая производительность вынуждает повышать энергию излучения в ущерб селективности. В каждом отдельном случае нужно вы-
бирать компромисс между двумя противоречивыми требованиями улучшения селективности и повышения производительности. Таким образом, при заданных геометрических размерах активной зоны селективность разделения изотопов может быть практически сколь угодно велика, но при низкой производительности. При заданной концентрации атомов производительность с заданной селективностью ограничены сверху, независимо от скорости потока.
Очевидно, что преимущество «однофотонно-го» метода по сравнению с «двухфотонным» состоит в более простой схеме разделительной установки.
Камера разделения при «однофотонном» возбуждении представляла собой кварцевую трубу длиной 60 см и диаметром 3 см, нагреваемую внешней печью, через которую распространялся газовый поток исследуемых атомов с аргоном и молекулами газа-реагента. Скорость прокачки смеси составляла >0,5 л/с, давление аргона ~1-2 Торр, а концентрация атомов газа-реагента ~1016см-3. При этих экспериментальных условиях время дрейфа атомов через область взаимодействия составляет порядка 1 с. Атомы исследуемого изотопа поступали в область разделения из резервуара, который нагревался отдельной печью, с температурой, обеспечивающей необходимую концентрацию атомов. Откачка производилась посредством форвакуумного насоса. Излучение силового лазера распространялось вдоль потока, обеспечивая «выжигание» возбужденных атомов за счет химической реакции. Образующиеся при этом продукты осаждались на стенках камеры разделения. Пары оставшихся изотопов конденсировались в коллекторной камере, поскольку ее стенки находились при комнатной температуре. Необходимая фотохимическая реакция обеспечивалась столкновениями атомов цинка в 4p3P1 состоянии, возбуждаемых лазерным излучением, с молекулами диэтилового эфира (C2H5)2O. Константа скорости этой реакции составляла к* = 1,6110-9 см3с-1. Этот газ-реагент был выбран из множества молекул, обеспечивающих большое значение константы скорости и селективность разделения изотопов. Верхняя граница величины константы скорости для атомов в невозбужденном состоянии составляет к = 10-14см3-с-1, что на 5 порядков меньше, чем в 4p3P01 состоянии. Эта величина была определена из результатов экспериментов по регистрации концентрации атомов цинка в коллекторной камере в присутствии либо отсутствии газа-реагента.
На рис. 6 приведены расчетные значения поглощения атома цинка на переходе 4s2 1S0^4p3P01 для суммарного контура и для основных изотопов атома цинка при температуре 350 °С. Спектры поглощения различных изотопов атомов цинка в газовом потоке сильно перекрываются, и о селективности возбуждения говорить не приходится. Однако если отстроить частоту излучения возбуждающего лазера на край суммарного контура поглощения, то коэффициенты поглощения различных изотопов будут сильно различаться. Отношение коэффициентов поглощения
4 -2 0 2 4
Частота, ГГц
Рис. 6. Спектр поглощения Еп на переходе 4э21Б0 ^ 4р3Р01: 1 — эксперимент; 2 — расчет; 3, 4, 5 — расчет для изотопов б4Еп, ббЕп, б8Еп соответственно
составляет более 10 уже при отстройке 2 ГГц. При этом существенно падает и суммарный коэффициент поглощения. Однако большое время взаимодействия излучения с атомами обеспечивает 100 %-ную эффективность возбуждения атомов выжигаемого изотопа при соответствующем выборе экспериментальных параметров. При этом также осуществляется возбуждение других изотопов, однако их доля составляет небольшую величину. Наряду с основным изотопом они участвуют в фотохимической реакции и «выжигаются» в камере взаимодействия, что приводит к небольшому уменьшению эффективности процесса разделения.
Возбуждение атомов цинка с помощью силового лазера осуществлялось в области разделения вдоль потока на интеркомбинационном переходе 4з1Б0-4р3Р01 (А, = 307 нм). Средняя мощность лазерного излучения в камере разделения составляла ~2 Вт, диаметр пучка ~1 см при частоте повторения 12 кГц, длительности импульса 10 нс, ширине линии излучения Ау = 3б МГц. Поскольку суммарное поглощение излучения за один проход лазерного излучения составляло всего 10-20%, для большей утилизации лазерного излучения оно возвращалось обратно в камеру разделения зеркалом. Анализ изотопного состава продуктов разделения, поступающих в коллекторную камеру, осуществлялся с помощью зондирующего излучения от другого лазерного источника, частота которого перестраивалась вдоль всего доплеровского контура поглощения на этом же переходе. Интенсивность его была ослаблена более чем на три порядка по сравнению с интенсивностью силового излучения. Это делалось для того, чтобы исключить заметные эффекты химической реакции в коллекторной камере. Регистрируя изменения доп-леровского контура поглощения в коллекторной камере в присутствии либо отсутствии силового излучения в камере взаимодействия, можно
наблюдать изменение изотопного состава в коллекторной камере. Таким образом, регистрируя абсолютное значения положения максимума поглощения, можно регистрировать содержание изотопного состава. Другой метод, который использовался в этих экспериментах, — это прямой масс-спектрометрический анализ продуктов, осадившихся на стенках коллекторной камеры.
Когда частота излучения силового лазера настроена на центр доплеровского контура атомов цинка, регистрируется практически 100%-ное «выжигание» атомов в камере разделения. Этот факт свидетельствует об эффективном возбуждении атомов цинка в камере разделения и эффективности химической реакции (2). Продукт этой реакции ЕпО осаждается на стенках камеры взаимодействия. Достаточно эффективные химические реакции также наблюдаются с рядом других молекул, однако самая высокая степень селективности получена именно с молекулами диэтилового эфира (С2Н5)2О. Этот факт, по-видимому, обусловлен меньшим влиянием различных вторичных реакций.
При отстройке частоты излучения лазера от центра доплеровского контура наблюдается деформация контура линии поглощения, регистрируемая в коллекторной камере. На рис. 7 приведены результаты, демонстрирующие это; они получены при концентрации атомов «1013 см-3 в области разделения. Когда частота лазера отстроена от центра на (-)2 ГГц, максимум допле-ровского контура смещается вправо. Это связано с преимущественным возбуждением и последующим «выжиганием» б4Еп. Противоположная ситуация возникает, когда частота излучения отстроена на (+)2 ГГц. Из рис. 7 следует, что число «выжигаемых» атомов, регистрируемое в коллекторной камере, превышает число возбуждаемых в камере разделения. Это связано, по-видимому, с вторичными реакциями образуемых радикалов с невозбужденными атомами. Сопоставление сдвига максимума доплеровского контура с расчетным показало, что более 95 % изотопа б4Еп «выжигается» в камере разделения. Такие же результаты получены из масс-спект-
-3-2-101234 Частота, ГГц
Рис. 7. Спектр поглощения Еп в коллекторной камере на переходе 4э2 1Б0 ^ 4р3Р01: 1 — доплеровский контур без силового лазера; 2 — силовой лазер настроен на (-)2 ГГц относительно центра (значения умножены на 8); 3 — силовой лазер настроен на (+)2 ГГц относительно центра (значения умножены на 20)
рометрического анализа цинка, оседающего на стенках коллекторной камеры.
Достигнутая наработка продукта составила 1 г вещества при трехчасовой экспозиции под воздействием УФ-излучения со средней мощностью 2 Вт и скорости прокачки смеси 100 л/с. Полная стоимость произведенного продукта равна 50 "ОБО/г. Изотопическая чистота цинка, произведенного фотохимическим «двухфотонным» и «однофотон-ным методом», достигала 98,5 % по бб7п.
Рубидий
Интерес к этому материалу, помимо активного медицинского применения, связан с перспективным использованием изотопов рубидия в качестве стандартов частоты в системах позиционирования и оптоволоконных линиях связи. Цены на эти изотопы, полученные электромагнитным способом, лежат в пределах от 7000 до 12000 ШБ/г.
Метод получения
Лазерное разделение изотопов атомов рубидия обычным фотоионизационным способом наталкивается на затруднения. Во-первых, отсутствует эффективная схема фотоионизации для разработанных в настоящее время эффективных перестраиваемых лазерных источников. Во-вторых, большое давление насыщенных паров при комнатной температуре приводит к потере селективности. В работе [33] экспериментально исследован однофотонный метод лазерного разделения изотопов рубидия, основанный на «выжигании» селективно возбужденных атомов рубидия в ридберговском состоянии (11Р3/2) (рис. 8) за счет химической реакции. Естественная смесь атомов рубидия состоит из двух нечетных изотопов 85ИЬ (72,17 %) и 87ИЬ (27,83 %). Изотопический сдвиг для атомов рубидия мал, однако можно найти линии поглощения, принадлежащие разным изотопам и отстоящие друг от друга на величину, превышающую доплеров-ское уширение. Сила осциллятора перехода (5Б1/2-11Р3/2) невелика, поэтому требуются большие плотности мощности лазерного излучения для насыщения перехода. При энергии за один импульс лазерного излучения 510-5Дж и при использовании возбуждения в потоке, где среднее время дрейфа составляет ~1 с, все «нужные» атомы успевают возбудиться в верхнее
Рис. 8. Схема рабочих переходов в атоме рубидия
(11P3/2) состояние. Использование химической реакции для селективного удаления возбужденных атомов приводит к высокой селективности процесса.
В камере взаимодействия атомы рубидия из нагреваемого резервуара в потоке аргона с давлением около 1 Торр поступали в камеру взаимодействия, где происходило их селективное возбуждение лазерным излучением. Камера представляла собой нагреваемую внешней печью стеклянную трубу диаметром 3 см. Длина области взаимодействия лазерного излучения с атомами составляла 60 см. Скорость прокачки поддерживалась равной 0,5 л/с.
Возбуждение атомов на переходе 5S1/2-11P3/2 с = 311 нм осуществлялось от источника узкополосного перестраиваемого импульсного излучения. Средняя мощность лазерного излучения в области взаимодействия составляла ~0,6 Вт при диаметре пучка 1 см. В эту же камеру вводился газ-реагент. Для анализа изотопного состава возбужденных атомов рубидия в конце камеры взаимодействия в поперечном направлении распространялось излучение перестраиваемого по частоте полупроводникового лазера, работающего вблизи частоты перехода 5S1/2-5P3/2 (Б2-линии рубидия = 780 нм). Ширина линии его излучения составляла менее 60 МГц, обеспечивая хорошее спектральное разрешение компонент сверхтонкой структуры.
Вплоть до давлений аргона ~5 Торр и концентрации атомов рубидия ~1013 см-3 не происходит заметного уширения спектров поглощения. Следовательно, сохраняется селективность возбуждения. Использование довольно больших концентраций буферного газа (до 1017см-3), а также импульсного источника возбуждения приводит к тому, что за межимпульсный период происходит большое количество столкновений атомов с другими частицами (~103). Это способствует полному перемешиванию компонент сверхтонкой структуры во время между импульсами. Это исключает необходимость применения двух-частотного лазерного излучения для возбуждения всех нужных атомов.
Измерение времени жизни возбужденного состояния (11P3/2) осуществлялось по сигналу видимой и инфракрасной люминесценции, возникающей за счет каскадного распада (11P3/2) состояния. Для селективного удаления возбужденных атомов из потока применялись фотохимические реакции с молекулами метанола и ди-этилового эфира. После добавления газа-реагента в камеру взаимодействия время жизни возбужденного состояния существенно сокращается. Путем измерения зависимости времени спада люминесценции от давления были определены значения константы скорости химической реакции атомов рубидия в состоянии (11P3/2) с молекулами метанола — к = 1,4710-9 см3 с-1 и диэти-лового эфира — к = 8,410-10см3с-1. Константы скорости этих реакций достаточны для «выжигания» селективно возбужденных атомов за время их жизни, причем в химическую реакцию
уходит до ~100 % атомов ИЬ [4б]. Продуктами являются молекулы ИЬО или ИЬОН, которые хорошо аккомодируются на стенках реакционной камеры. Реакции возбужденного в 1 1 Р3/2 атома рубидия также эффективно протекают с рядом других молекул, что регистрировалось по убыванию концентрации атомов в конце области взаимодействия. Однако именно с рассматриваемыми молекулами наблюдается достаточно хорошая селективность процесса.
На рис. 9 приведены спектры поглощения атомами рубидия, регистрируемые в конце камеры взаимодействия по поглощению излучения непрерывного полупроводникового лазера на О2-линии рубидия. Эксперимент проводился при температуре стенок камеры взаимодействия 120 °С и концентрации атомов рубидия «1012см-3. Рабочая концентрация атомов рубидия была ограничена этой величиной, поскольку на длине поглощающей области 3 см, определяемой диаметром трубки камеры разделения, при больших значениях происходит замывание изотопической структуры в спектрофотометрическом сигнале поглощения на переходе 5Б1/2-5Р3/2. Доплеров-ская ширина перехода на этой частоте примерно в 3 раза меньше, чем для возбуждающего перехода. При этом все компоненты сверхтонкой структуры разрешены. На основе этих спектров можно судить об изотопическом составе атомов рубидия в конце камеры взаимодействия. Экспериментальные результаты показывают, что когда частота возбуждающего излучения настроена на один пик поглощения изотопа 87ИЬ, в конце камеры взаимодействия содержание этого изотопа уменьшается до уровня более чем ~90 % от первоначальной величины. Осуществляя конденсацию атомов, вышедших из зоны взаимодействия, можно проводить наработку продукта в весовых количествах. Эксперименты по наработке изотопа с полным технологическим циклом не проводились. Оценка себестоимости разделения на лазерном комплексе дает 52 ИБО/г для 8бКЬ и 1б0 ИББ/г для 87ИЬ.
Рис. 9. Спектр поглощения рубидия на Б2-линии: 1 — без силового лазера; 2 — в присутствии силового лазера
Заключение
На сегодняшний день помимо представленных здесь лазерных технологий получения изотопов свинца, цинка, рубидия методами лазерного разделения изотопов могут или уже нарабатываются весовые количества изотопов иттербия [1б], палладия [47], неодима [29]. В России работы по лазерному разделению изотопов в основном проводятся силами коллективов РНЦ «Курчатовский институт», ИОФ РАН, ВНИИЭФ, ИФП СО РАН.
Лазерные методы разделения изотопов, по-видимому, являются наиболее гибкими и охватывают большинство элементов периодической таблицы системы Менделеева. Благодаря своим потенциальным преимуществам они являются относительно «дешевыми и простыми» в промышленном производстве изотопов и, соответственно, перспективными. Иногда реальная высокая стоимость разделения определяется в основном низкой эффективностью лазеров на парах меди, небольшим сроком службы лазерных трубок и коммутаторов (стоимость работы комплекса [35] составляет ~150ИБ0/ч при сравнительно малых величинах затрат на электроэнергию и зарплату), малыми масштабами установки и высокими требованиями к квалификации персонала. В крупных производственных комплексах по ЛРИ можно добиться снижения себестоимости в 3-5 раз. Прогнозируется значительное снижение себестоимости как за счет дальнейшего совершенствования медных лазеров, так и удешевления твердотельных лазеров.
В то же время необходимо учитывать, что внедрение лазерных технологий осуществляется в высокоразвитые области науки и техники, в том числе для развития альтернативных методов энергетики. Из-за высокой конкуренции в индустрии разделения изотопов, отчасти вызванной значительным уменьшением доли военных заказов и развитостью иных технологий производства изотопически измененных материалов, наиболее целесообразно широкомасштабное внедрение ЛРИ проводить для тех элементов и в тех областях, где преимущества лазерных методов в получении изотопов очевидны (либо нет альтернативы применению именно методов ЛРИ, либо они экономически оправданы по сравнению с другими методами, уже промышленно освоенными). Представляется интересным и экономически привлекательным создание технологий получения изотопов комбинацией различных методов. Например, использование некоторых высокопроизводительных технологий предварительного обогащения изотопов с последующей лазерной технологией доведения изотопа до необходимого уровня обогащения.
Улучшение фотохимических методов позволяет в конечном итоге построить небольшие высокоэкономичные разделительные комплексы, особенно привлекательные для удовлетворения нужд медицины, фундаментальных исследований и других областей, где требуется разнооб-
разная изотопическая продукция в небольших количествах и по ценам, значительно меньшим, чем существующие.
Список литературы
1. Летохов B.C. // Изотопы: свойства, получение, применение/Под ред. B. Ю. Баранова. М.: ИздАТ, 2000. C. 291.
2. Letokhov V. S., Ambartzumian R. V. // IEEE J. Quant. Electr. 1971. Vol. QE-7. P. 305.
3. Ambartzumian R. V., Letokhov V. S. // Applied Optics. 1972. Vol. 11. P. 354.
4. Амбарцумян P. B., Калинин B. П., Летохов B. C. // Письма в ЖЭТФ. 1971. Т. 13. C. 305.
5. Letokhov V. S. // Science. 1973. Vol. 180. P. 451.
6. Letokhov V. S. // Optics Comm. 1973. Vol. 7. P. 59.
7. Карлов H. B., Прохоров А. М. // УФН, 1976. Т.118. C. 583.
8. Летохов B.C., Мур Б. // Квантовая электроника. 1976. Bып. 3. C. 248.
9. Летохов B. C., Мур Б. // Там же. C. 485.
10. Басов Н. Г., Беленов Е. М., Исаков B. А. и др. // УФН. 1977. Т. 121. C. 427.
11. Летохов B.C., Мишин B. И., Пурец-кий А. А. // Химия плазмы. М.: Атомиздат, 1977.
12. Карлов Н. B., Крынецкий Б. Б., Мишин B. А. и др. // УФН. 1979. Т. 127. C. 593.
13. Летохов B. C. // УФН. 1978. Т. 125. C. 57.
14. Карлов Н. B. // Труды ФИАН. 1979. T. 114. C. 3.
15. Летохов B. C. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах. М.: Наука, 1983.
16. Яковленко C. И. // Квантовая электроника. 1988. Bbra. 25. C. 971.
17. Мишин B. А. // Изотопы: свойства, получение, применение/Под ред. B. Ю. Баранова. М.: ИздАТ, 2000. C. 308.
18. Devis J., Devis R. Laser isotope separation program-8.1 Overview // Laser Program Annual Report-1976, UCRL-50021 -76/Ed. by P. E. Coyle. Lawrence Livermore National Laboratory, CA, 8/3-8, June 1977.
19. Spaeth M. Laser isotope separation pro-gram-8.1 Overview // Ibid. 8/29-33, June 1977.
20. Paisner J. A. // Appl. Phys. B. 1988. Vol. 46. P. 253.
21. Greenland P. T. // Contemporary Phys. 1990. Vol. 31. P. 405.
22. Emmett J. L., Krupke W. F., Davis J. I. // IEEE J. Quantum Electron. 1984. Vol. QE-20. P. 891.
23. Davis J. I., Rockower E. B. // IEEE J. Quantum Electron. 1982. Vol. QE-18. P. 233.
24. Scheibner K., Haynam C., Worden E. et al. Laser isotope Purification of Lead for Use in Semiconductor chip Interconnects. UCRL-JC-122657. Preprint LLNL, 1996.
25. Бохан П. А. // Докл. 4-й Международ. конф. «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул». М.: ЦНИИатоминформ, 1999. C. 115.
26. Хоросанов Г. Л., Иванов А. П., Бло-хинА. И. и др. // Там же. С. 262.
27. Держиев В. И., Дякин В. М., Илькаев Р. И. и др. // Квантовая электроника. 2002. Вып. 32. С.619.
28. Григорьев И. С., Гельман Э. Б., Семерок А. Ф. и др. // Докл. 5-й Международ. конф. «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул». М.: ЦНИИатоминформ, 2000. С. 92.
29. Григорьев И. С., Дьячков А. Б., Лабо-зин В. П. и др. // Докл. 7-й Международ. конф. «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул». М.: ЦНИИатоминформ, 2002. С. 188.
30. Compte M., De Lamare J., Petit A. et al. // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 1993. Vol. 1859. P. 79.
31. Бохан П. А., Бучанов В. В., Закревс-кий Д.Э. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2000. T. 71. C. 705.
32. Григорьев И. С. Разделение изотопов с помощью света. Препринт №6246/12. ИАЭ, 2002.
33. Бохан П. А., Закревский Д. Э., Фатеев Н. В. // Письма в ЖЭТФ. 2002. T. 75. P. 202.
34. Бохан П. А., Бучанов В. В., Закревс-кий Д. Э., Казарян М. А., Калугин М. М., Прохоров А. М. Фатеев Н. В. Лазерное разделение изотопов в атомарных парах. М.: Физматлит, 2004. С. 208.
35. Бохан П. А., Закревский Д. Э., Кочубей С. А. и др. // Квантовая электроника. 2001. Вып. 31. С. 132.
36. Tu K. N., Gusak A. M., Li M. // J. Appl. Phys. 2003. Vol. 93. P. 1335.
37. Ziegler J. F., Curtis H. W., Muhlfeld H. P. et al. // IBM J. Res. Develop. 1996. Vol. 40. P. 3.
38. Spectrum Sciences. News and Notes Quarterly. 1998. Vol. 1. P. 1.
39. http://www.puretechnologies.com.
40. Бохан П. А., Бучанов В. В., Закревский Д.Э. и др. // Докл. 4-й Международ. конф. «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул». М.: ЦНИИатоминформ, 1999. С. 86.
41. Хоросанов Г. Л, Иванов А. П., Блохин А. И. и др. // Там же. С. 262.
42. Хорасанов Г. Л., Блохин А. И., Синица В. В. // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2000. Вып. 3. С. 76.
43. Бортнянский А. Л., Бохан П.А., Закревс-кий Д. Э. и др. // Новые промышленные технологии. 2003. Вып. 1. С. 33.
44. Чабак А. Ф., Полевой А. С. Изотопы: свойства, получение, применение/Под ред. В. Ю. Баранова. М.: ИздАТ, 2000. С. 496.
45. Бохан П. А., Закревский Д. Э., Фатеев Н. В. // ЖЭТФ. 2004. T. 125, вып. 1. C. 202.
46. Бохан П. А., Закревский Д. Э., Ким В. А., Фатеев Н. В. Фотохимические реакции атомов Zn(4p3Pj) и Rb(11P3/2) с молекулами // Хим. физика (в печати).
47. Держиев В. И., Дякин В. М., Илькаев Р. И. и др. //Квантовая электроника. 2003. Вып. 33. С. 553.
