principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Полученные ионизованные атомы выводились из пучка с помощью отклоняющих пластин, направлялись в квадрупольный ионный массовый фильтр и, наконец, попадали на коллектор, находящийся при потенциале — 3100 В. Уже в первых экспериментах был получен фактор обогащения К-100. В другом эксперименте ~10), в котором для селектнвного возбуждения использовался импульсный лазер на красителе, а для ионизации — импульсный азотный лазер, фактор обогащения К(™ПР*зП) достигал 140. Можно селективно ионизовать атомы урана с помощью последовательного резонансного возбуждения через дискретные состояния перед заключительным этапом иониаации.
Для этого необходимо иметь более одного перестраиваемого лазера для резонансного воабуждения, зато в итоге значительно улучшается селективность процесса. Когда атомы урана возбуждены в высокое ридберговское состояние, для их эффективной ионизации можно использовать внешнее постоянное электрическое поле. Прототип крупномасштабной системы для рааделения изотопов урана с использованием лазеров на красителе, накачиваемых лазерами на парах меди, в на- 443 стоящее время разрабатывается в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса. Было также экспериментально продемонстрировано лазерное разделение изотопов других атомов, таких как Ь(а, К, Са, ВЬ, редкоземельные атомы и трансурановые элементы, с использованием метода ступенчатой фотоионнзации ($1].
В общем случае этот метод является сравнительно простым и экономичным методом разделения небольших количеств изотопов практически всех элементов. б. Фотоотклонеяие Как уже говорилось в разделе 20Л, лазерное возбуждение и последующая флуоресценция могут оставить у атома или молекулы нескомпенсированный импульс: поглощая фотон из лазерного пучка, атом или молекула приобретают импульс Ж, а при излучении, поскольку фотон флуоресценции излучается с равной вероятностью во всех направлениях, атом или молекула (если они неполяризованы) в среднем не теряют импульса.
Таким образом, если в течение взаимодействия атома или молекулы с лазерным полем поглощается или излучается 40' фотонов в видимой области спектра, то атом или молекула приобретают импульс $0' Ж. Часто этого бывает достаточно для заметного изменения траектории атома (или молекулы), если только его масса не слишком велика. В качестве примера рассмотрим экспериментальную демонстрацию фотоотклонения пучка атомов '"Ва [12). Как видно из рис.24.3, а агааа- пучок атомов Ва, выхоанантралатр дя из печи, нагретой до (6Р)(56)()р,) температуры 800 К, имеет среднюю скорость <о>аэ 4 40' см/с и средлаэрарибный ~ (Егдбр)(lог) 664бнн лагер нюю поперечную со- ставляющую скорости (Ег)(66)()рг) <о,> = 80 см/с, соответ- 6Я нн ствующую расходимости пучка 2 мрад.
Лазер на красителе непрерывноонааь аганпназ За го деиствия с шириной 6ег()за) линии Ю МГЦ исполь- зовался для селективно- а го возбуждения перехоРяс. 243. Схема рээделевня изотопов бария с да бе'('8н)-н 6збр('Р,)' помощью метода резонансного фотоотклонэння: атома '"Ва в условиях, а — экспериментальная установка; 6 — уРовни ког а лазе ный энергии атомов 'гнВэ, участвующих в этом процессе в м ро- атомному пучку. Поскольку в этом случае й)а/Яе = 0,8см/с, для отклонения атомов от среднего направления пучка требуется поглощение около 100 фотонов. Время живни перехода 6е'- (6е) (бр) составляет 8нс. При интенсивности лазера (порядка $0 Вт/см'), достаточной для насыщения 444 перехода, и эффективной длине взаимодействия атома с полем 1 мм каждый атом '*'Ва может за время пересечения лазерного пучка поглотить и переизлучить около 300 фотонов.
Таким образом, фото- отклонение селективно возбужденных атомов '*'Ва от среднего направления атомного пучка возможно, и оно действительно наблюдалось (121 В случае Ва с вероятностью 47з возбужденный атом может релаксировать в метастабильное состояние (бз) Х Х(5Ы) (%,). Общая вероятность того, что атом Ва после я столкновений с фотонами окажется в метастабильном состоянии, составляет ~~.",(24/25)" ~(1/25) и при больших п становится заметной. Так как п атомы в метастабильном состоянии больше не могут поглощать фотоны из возбуждающего лазерного луча и подвергаться фото- отклонению, следует каким-то образом избегать накопления атомов в метастабильном состоянии. Одним из способов опустошения населенности состояния (бз)(5И) является использование второго лазера, который возбуждает атомы из этого состояния в состояние (бр) (5И), откуда они быстро возвращаются в основное состояние.
Другим способом избавления от захвата атомов в метастабильное состояние является использование когерентного я-импульса, который переводит нужные атомы в возбужденное состояние с помощью эффекта адиабатического слежения [13]. При этом атом получает импульс йй. Затем лазерный импульс отражается от зеркала назад и вызывает вынужденное излучение возбужденного атома. Вынужденное излучение, будучи направленным, также передает импульс фотона — й ( — й) Ь)г атому.
Таким образом, пока возбуждающий лазерный импульс «бегает» вперед и назад между зеркалами, резонансно возбуждаемые и излучающие атомы могут быть эффективно отклонены при минимальной потере фотонов. Об экспериментальной реализации этого метода пока не сообщалось. Основная трудность метода фотоотклонения заключается в том, что для получения большого фактора обогащения изотопа требуется большая длина взаимодействия атомов с полем. Для более тяжелых атомов это требование оказывается более жестким. в. Другие физические методы Было предложено несколько других физических методов лазерного разделения изотопов, но до сих пор не сообщалось об их экспериментальном осуществлении. Возбужденный атом или молекула имеет поляризуемость, отличную от поляризуемости атомов или молекул в основном состоянии. Следовательно, в неоднородном электрическом поле силы, действующие на возбужденные и невозбужденные атомы и молекулы, будут различными, и их можно, в принципе, использовать для разделения двух изотопов.
Коэффициенты прилипания при ад- 445 сорбции возбужденных и невоэбуждвнных атомов или молекул на поверхности также могут сильно отличаться. Пропуская селективно возбужденную смесь изотопов над такой поверхностью, можно добиться разделения изотопов благодаря различию в их адсорбции, если помехи от вторичных процессов являются пренебрежимо малыми. 24.3 Фотохимические методы а. Фотохимическая реакция Возбужденный атом или молекула в общем случае имеет повышенную способность вступать в химические реакции по сравнению с атомами или молекулами в основном состоянии, и их можно отделить от последних, выбирая подходящую схему химической реакции.
Хотя электронное возбуждение часто бывает в этом отношении более эффективным, в случае молекул может оказаться продуктивным и колебательное возбуждение. Ниже приведены два примера, иллюстрирующие изотопически селективную фотохимию. В смеси молекул орто-1, и пара-1, с 2-гексаном (Х) молекулы орто-1, воэбуждалнсь линией 514,5 нм аргонового лазера 114). После часового облучения пучком мощностью 0,2 Вт было обнаружено, что плотность орто-1, снизилась до 5Ъ .
Этот эффект объяснялся тем, что электронно возбужденные молекулы орто-1, могли реагировать с 2-гексаном, тогда как невозбужденные молекулы пара-1,— нв могли: ав з орта-1, — орто-1, + Х -+ Х1,. В другом примере газовая смесь, содержащая Н,СОН, Р,СОВ и Вг, в пропорции 1:1: $, облучалась лазером на Нг непрерывного действия с длиной волны 2,7 мкм ~15). Возбуждалось колебание ОН молекул Н,СОН. Колебательно возбужденные молекулы Н,СОН затем сильно реагировали с Вг„давая в результате 2НВг и Н,СО: НвСОНв + Вг, -~ 2НВг+ НеСО В результате после облучения смеси лазером мощностью 90 Вт в течение 60 с отношение концентраций Н,СОН и В,СОР снизилось до 1: 19. Этот результат был, однако, подвергнут критике и требует дополнительной проверки. Химические реакции в описанных примерах были простыми.
В результате их получаются стабильные первичные продукты, которые легко можнр отделить от исходных молекул. В общем случае, однако, бывает не так. Часто после свлективного возбуждения атомов илп молекул возникает цепная реакция. В результате неконтролируемых вторичных реакций может произойти перемешивание изотопов. б. Одноступенчатая фотопредиссоциация Унимолекулярная диссоциация является особым классом химических реакций, вызываемых лазерным возбуждением. Если возбуждение является изотопическн селективным, то этот процесс можно испольэовать для разделения изотопов.
Некоторые молекулы имеют резкие ровибронные состояния, накладывающиеся на возбужденное электронное состояние, которое является вырожденным с диссоциационным континуумом другого возбужденного электронного состояния (рис. 24.4). Эти состояния носят название предиссоциационных. Они сходны по своей природе с автоионизационными состояниями в ионизационном континууме. Молекула, возбужденная в предиссоциационное состояние, может релаксировать в континуум и диссоциировать.
Если резкие предиссоциационные состояния имеют иаотопический сдвиг, е"+в который можно разрешить в эксперименте, то селективное воабуждение может привести к в+в предиссоциации выделенных изотоп ических молекул ~16). Продукты диссоциации могут быть стабильными или нестабильными. В последнем случае нужно придумать процесс хи- ев в мической очистки для удаления соединений Ркс. 24.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
