專(zhuān)利名稱(chēng)：極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置的制作方法
極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置是一種應(yīng)用激光抽運(yùn)技術(shù)和自旋選態(tài)磁鐵進(jìn)行聚焦和偏轉(zhuǎn)的原理，以實(shí)現(xiàn)同位素濃縮的設(shè)備，屬于利用激光器和選態(tài)磁鐵對(duì)原子束進(jìn)行極化和分離的實(shí)驗(yàn)裝置。它可為科學(xué)研究、國(guó)防、醫(yī)療、能源、環(huán)保和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供廉價(jià)的濃縮同位素。
隨著激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，各種激光分離同位素的構(gòu)思和方法亦應(yīng)運(yùn)而生。它們是(1).選擇性化學(xué)反應(yīng)法。該法已有較長(zhǎng)的歷史，早在1968年，Tiffany用激光進(jìn)行了光化學(xué)同位素分離的首次嘗試(W.B.Tiffany J.Chem.Phys.48，3019(1968))。由于在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，同位素選擇性難以保持，因而不可能用于工業(yè)生產(chǎn)。(2).選擇性激光電離。七十年代初，蘇聯(lián)的Letokhov等(V.S.Letokhov，Soviet patent N65743，30 March，1970;R.V.Ambartzumian，V.P.Kalinin and V.S.Letokhov，Pisma Zh.eksp.iteor.fiz.13，305(1971))，美國(guó)的Janes和Levy等(G.S.Janes，I.Itzkan，C.T.Pike，R.H.Levy and Li Levin，IEEE J.QE12，111(1976))同時(shí)獨(dú)立提出利用同位素位移，通過(guò)兩步或三步選擇性激發(fā)，使一種同位素被電離，然后借助電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了銣和鈾的分離。之后，美國(guó)的Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用此方法進(jìn)行鈾的濃縮的實(shí)驗(yàn)室中試和研究，八十年代末已建成中試工廠。此法對(duì)所用的激光器有很高的技術(shù)要求，如高的脈沖能量(1焦?fàn)?、窄的脈沖寬度(20～200ns)、高重復(fù)頻率(100kHz)和窄帶寬(1～3GHZ)，激光器頻率應(yīng)可調(diào)并有很高的穩(wěn)定性(±30MHZ)，同時(shí)還需要解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)。(3).選擇性分子光解離和異構(gòu)化。七十年代中，蘇聯(lián)(R.V.Ambartzumian，Yu.A.Gorokhov，V.S.Lotokhov and G.N.Makarov，JETP Lett，21，171(1975)和美國(guó)(J.J.Lyman，R.J.Jensen，J.Rlnk，C.P.Robinson and S.D.Rockwood，Appl，Phys.Lett，27，87(1975)的兩個(gè)小組分別采用強(qiáng)紅外激光對(duì)分子進(jìn)行選擇性多光子解離，完成了硫的同位素分離。之后，又進(jìn)行了目的在于鈾分離的大量探索，由于光源的限制，與生產(chǎn)階段還有很大距離。對(duì)多原子分子除解離外，還進(jìn)行了由光激發(fā)導(dǎo)致異構(gòu)化而分離同位素的嘗試。(4).選擇性光致偏轉(zhuǎn)。它借助激光直接引起的特定的同位素原子運(yùn)動(dòng)方向的變化以實(shí)現(xiàn)同位素分離，早在七十年代初已提出構(gòu)想(A.Ashkin，Phys.Rev.Lett.24，156(1970);25，1231(1970))和進(jìn)行試驗(yàn)(A.Bernbardt，D.Duerre，J.Simpson and L.Wood，IEEEE J.QE 10，789(1974))，但仍停留于實(shí)驗(yàn)室階段。1984年，本發(fā)明人提出利用激光選擇性抽運(yùn)產(chǎn)生電子自旋極化原子束，使之在非均勻磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)同位素的分離(“通過(guò)極化原子束的磁偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)激光同位素濃縮”朱熙文，《物理學(xué)報(bào)》33卷11期1605頁(yè))。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明的新穎性，曾對(duì)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利和實(shí)用新型專(zhuān)利分類(lèi)文摘進(jìn)行了查閱，未發(fā)現(xiàn)與之近似的或相同的專(zhuān)利技術(shù)。
由于激光分離同位素的巨大潛在的工業(yè)價(jià)值，而受到人們高度重視，據(jù)悉已有一些方案在不斷完善和向?qū)嵱梅较虬l(fā)展，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研究中，而未進(jìn)入實(shí)用階段。
顯然，尋求一種利用激光選擇性抽運(yùn)產(chǎn)生電子自旋極化原子束，并使之在非均勻磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)同位素濃縮的裝置，就是本發(fā)明的目的。
一種能達(dá)到上述目的的技術(shù)方案構(gòu)思如下將含有多種同位素的元素放置在束源室里，經(jīng)加熱后，室中的多種同位素元素成為高溫蒸氣。通過(guò)特定的小口泄出的原子束進(jìn)入作用區(qū)。在該作用區(qū)內(nèi)原子束的方向與激光束方向相垂直，所選用一臺(tái)或多臺(tái)在一定技術(shù)條件(包括選定的波長(zhǎng)、偏振、功率、線寬、入射角和光束截面等)下，運(yùn)轉(zhuǎn)的激光光源系統(tǒng)，且產(chǎn)生的激光束方向與作用區(qū)的磁場(chǎng)方向平行。原子束在作用區(qū)內(nèi)被垂直入射的激光束抽運(yùn)而得到不同的極化，即需要濃縮的同位素原子正極化，而其他的同位素原子負(fù)極化，最好使它們完全極化。為了保證在激光抽運(yùn)區(qū)中原子所形成的極化狀態(tài)不變，要求從抽運(yùn)區(qū)到強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)之間，磁場(chǎng)的方向和數(shù)值變化緩慢，這樣原子束在此區(qū)域滿(mǎn)足絕熱渡越條件。在選態(tài)磁場(chǎng)作用下，正極化的同位素原子聚焦后到達(dá)收集器，被之收集。而負(fù)極化的同位素原子則被偏轉(zhuǎn)，不能進(jìn)入收集器中，從而完成同位素的濃縮。
可見(jiàn)這種裝置的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是如何提高原子的極化度和所需要的同位素的濃縮度。為了使原子高度極化，一是提高抽運(yùn)速率和增加原子與激光的相互作用時(shí)間，二是降低因碰撞和磁場(chǎng)中混態(tài)引起的去極化效應(yīng)。鑒此，為了獲得高度極化的原子束，除降低去極化效應(yīng)外，還應(yīng)使原子束中具有不同速度和處于不同超精細(xì)能級(jí)的原子都被極化。再設(shè)法使其按絕熱渡越方式進(jìn)入選態(tài)磁場(chǎng)，使通過(guò)該磁場(chǎng)的同位素得到有效的分離。因此對(duì)該發(fā)明裝置的具體要求是(1)完全的速度復(fù)蓋，這可使原子束準(zhǔn)直、激光束與原子束嚴(yán)格相垂直和利用功率增寬來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(2)超精細(xì)能級(jí)復(fù)蓋，通?？刹捎枚嗯_(tái)激光器。而對(duì)只有較少超精細(xì)能極的原子，則可使用寬帶激光器，或聲光調(diào)制器，或用同一窄帶激光器的不同光束與原子束成不同交角，這樣可分別對(duì)應(yīng)不同超精細(xì)能級(jí)的躍迂頻率。但是由于多卜勒頻移，非垂直入射光束不能達(dá)到很好的速度復(fù)蓋。
(3)足夠的激光強(qiáng)度。激光強(qiáng)度的提高將增加抽運(yùn)速度和速度復(fù)蓋范圍。
(4)足夠長(zhǎng)的相互作用時(shí)間。這通過(guò)可擴(kuò)展光束或通過(guò)往復(fù)反射光束使激光與原子多次作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)所需要濃縮的同位素，選取和設(shè)計(jì)參數(shù)相適應(yīng)的激光器和光路，使激光波長(zhǎng)、偏振、入射角、功率、帶寬和光束的截面滿(mǎn)足上述要求，這樣需濃縮的同位素原子完全正極化，其他同位素原子完全負(fù)極化，并保持所獲得的極化狀態(tài)進(jìn)入選態(tài)磁場(chǎng)。
(5)選態(tài)磁鐵和磁場(chǎng)應(yīng)具有一定的長(zhǎng)度和足夠的磁場(chǎng)梯度。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。


圖1是一種用來(lái)濃縮6Li的極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1-氬離子激光器，用來(lái)泵浦染料激光器?？蛇x用171氬離子激光器，其工作波長(zhǎng)514.5mm，功率4W。2、3-單模環(huán)形染料激光器，用來(lái)抽運(yùn)原子束，以獲得不同的極化?？蛇x用380D環(huán)形染料激光器，其工作波長(zhǎng)670.8nm，功率100mw，帶寬1MHz。4.5-部分反射鏡，將入射光束分解為反射光束和透射光束。6-全反射鏡，將入射光束全部反射至波長(zhǎng)計(jì)。7-F-P掃描干涉儀，用于監(jiān)測(cè)激光器工作波長(zhǎng)，其自由光譜程為2GHz。8-波長(zhǎng)計(jì)，用于測(cè)量激光器工作波長(zhǎng)，分辨率10-3nm。9-線偏振片，使激光線偏振，線偏振度＞98%。10-1/4波片，使激光圓偏振，圓偏振度＞95%。11-光闌，用來(lái)改變光與原子束作用時(shí)間。12-原子爐，用不銹鋼制成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。爐內(nèi)放置天然鋰金屬，附有兩組加熱絲分別對(duì)爐體和爐口進(jìn)行加熱，爐孔直徑為0.8mm，一般使?fàn)t口溫度比爐體溫度稍高，以免爐口堵塞，爐溫由鎳鋁鎳硅熱電偶測(cè)量，爐體溫度可調(diào)，其溫度范圍400℃～700℃。13-原子束準(zhǔn)直孔闡，用于準(zhǔn)直原子束，并將束源室和相互作用室分開(kāi)，孔徑3mm。14-磁場(chǎng)線圈，該磁場(chǎng)線圈中心為激光抽運(yùn)區(qū)。在此區(qū)中提供磁場(chǎng)強(qiáng)度為1×10-4～1×10-3T的可調(diào)取向磁場(chǎng)，以形成原子的量子化方向。15-六極選態(tài)磁鐵。磁場(chǎng)強(qiáng)度是非均勻的，磁場(chǎng)梯度為5T/cm，磁極處最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.6T，磁隙直徑為2.2mm，長(zhǎng)87mm。由于六極磁鐵選態(tài)的結(jié)果，使負(fù)極化的同位素原子被偏轉(zhuǎn)，而正極化的同位素原子被聚焦，經(jīng)過(guò)探測(cè)器后被收集器收集。16-熱線探測(cè)器(或四極質(zhì)譜計(jì)或熒光檢測(cè)器)。鎢絲電流1.2A，用于測(cè)量濃縮后同位素的豐度。17-收集器，由玻璃或石英制成，用于收集濃縮后同位素產(chǎn)物。收集器的中軸應(yīng)與原子束同軸。18、19-兩組機(jī)械泵-油擴(kuò)散泵系統(tǒng)，分別對(duì)原子束室，作用區(qū)和探測(cè)室抽真空，使它們的真空度分別達(dá)到7×10-3Pa和3×10-4Pa。20-激光窗，它所處的平面與激光束以布儒斯特角相交，該交角與工作波長(zhǎng)、部件材料有關(guān)，本實(shí)施例中選擇57°的交角。
圖2是可以構(gòu)成一種類(lèi)型束源室的原子爐結(jié)構(gòu)。其中21-爐口加熱絲。22-爐體加熱絲。23-爐口，即原子束出口。24-爐體。25-鉭密封片。26-密封法蘭。27-爐料，可選用天然金屬鋰。
圖3是六極選態(tài)磁鐵的截面圖。其中28-磁極，由工業(yè)純鐵制成。29-磁鋼，可選用AlNiCo8永磁合金。內(nèi)孔直徑2.2mm。長(zhǎng)87mm。
可見(jiàn)，原子束極化偏轉(zhuǎn)器中的各個(gè)部件是按一定順序設(shè)置的。而且，為了使本裝置獲得較好的濃縮效果，裝置中各部件之間的距離及有關(guān)參數(shù)按以下準(zhǔn)則選取(1)原子爐口23與原子束準(zhǔn)直孔闌13之間距離為360mm，使之與孔闌直徑之比為120∶1。
(2)原子束準(zhǔn)直孔闌13與激光抽運(yùn)區(qū)中心線(即激光束的光軸)距離范圍30～50mm。
(3)激光抽運(yùn)區(qū)中心線與六極選態(tài)磁鐵入口處距離為200～300mm，以保證被抽運(yùn)后極化原子束在滿(mǎn)足絕熱渡越條件下，從弱磁場(chǎng)緩慢地過(guò)渡到強(qiáng)磁場(chǎng)，以保持抽運(yùn)后的極化狀態(tài)。
(4)六極選態(tài)磁鐵出口與探測(cè)器相距約為200毫米，以減少和避免強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)探測(cè)器的干擾。
本實(shí)施例是為濃縮6Li同位素而設(shè)計(jì)的，如果要濃縮其它元素的同位素，只需要對(duì)原子爐、激光器和光路另行設(shè)計(jì)和選用，而其它零部件則不必更換。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，上述裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)1.可以獲得較高的濃縮效果。如6Li的豐度由7.5%提高到24%，85Rb的豐度由72%提高到98%，87Rb豐度由28%提高到83%。
2.只需要了解同位素原子的基態(tài)和個(gè)別激發(fā)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)等少量的信息。
3.所需的激光光強(qiáng)遠(yuǎn)較其它方案為低，如用于產(chǎn)生極化的抽運(yùn)激光功率密度只需幾十mw/cm2。
4.磁偏轉(zhuǎn)分離技術(shù)方案簡(jiǎn)單，易實(shí)施。
本發(fā)明為同位素濃縮技術(shù)提供了有效的方法和廉價(jià)的設(shè)備。據(jù)悉1960年至1985年期間，全世界僅在同位素和輻射技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用方面所得到的累積經(jīng)濟(jì)效益約800億美元。當(dāng)然，市場(chǎng)的開(kāi)拓和效益的提高，有賴(lài)于大量的、廉價(jià)的同位素的取得。
權(quán)利要求
1.一種由原子束極化、偏轉(zhuǎn)器和激光光源組成的極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置，其特征是(1).在原子束極化、偏轉(zhuǎn)器中按一定的順序和間距設(shè)有以下部件原子束室、原子束準(zhǔn)直孔闐、磁場(chǎng)線圈、選態(tài)磁鐵、探測(cè)器和收集器；(2).選取工作波長(zhǎng)、功率和帶寬為一定的一臺(tái)或多臺(tái)激光器，偏振片、波片和光闐構(gòu)成激光光源，其光束的軸以一定夾角射入原子束極化、偏轉(zhuǎn)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置，其特征是一個(gè)具有一定尺寸口徑的出口和附有加熱體的原子束室被置于原子束極化偏轉(zhuǎn)器的一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置，其特征是在與原子束出口間距為一定之處的軸線上，設(shè)一具有一定孔徑的原子束準(zhǔn)直孔闌。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置，其特征是在原子束準(zhǔn)直孔闡的另一方，與其間距為一定的軸線上設(shè)有一磁場(chǎng)線圈，在該線圈兩側(cè)各有一激光窗，它們所處的平面與激光束以布儒斯特角相交。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4所述的極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置，其特征是在作用區(qū)的另一方，與其間距為一定之處的軸線上設(shè)有磁場(chǎng)強(qiáng)度為一定的多極的、非均勻的選態(tài)磁鐵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5所述的極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置，其特征是在選態(tài)磁鐵的另一方，與其間距為一定之處設(shè)有探測(cè)器，它的中心應(yīng)與原子束中心相重合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6所述的極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置，其特征是探測(cè)器的另一方，與其間距為一定之處設(shè)有收集器，它的中心應(yīng)與原子束中心相重合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置，其特征是在原子束極化偏轉(zhuǎn)器的作用區(qū)激光的窗外，配置有波長(zhǎng)、偏振、入射角、功率、帶寬和波束寬度為一定的激光光源系統(tǒng)，它由一臺(tái)或多臺(tái)激光器，線偏振片，1/4波片，可變光闌，反射鏡，波長(zhǎng)測(cè)量和監(jiān)控儀器組成，所產(chǎn)生的激光光束與激光窗所處的平面以布儒斯特角相交。
全文摘要
極化束磁偏轉(zhuǎn)激光同位素濃縮裝置是用激光抽運(yùn)和自旋選態(tài)磁鐵對(duì)同位素進(jìn)行濃縮的設(shè)備。它由束源室、原子與激光作用室、選態(tài)磁鐵、探測(cè)器、收集器構(gòu)成的原子束極化、偏轉(zhuǎn)器和相應(yīng)的激光光源系統(tǒng)組成。原子束在弱取向磁場(chǎng)中與垂直入射的激光束作用，使不同同位素的原子通過(guò)選擇性光抽運(yùn)，形成沿不同方向極化的原子束。經(jīng)選態(tài)磁鐵后，使不需要的同位素偏轉(zhuǎn)，需要的則聚焦后被收集。比天然豐度提高1.4～3.2倍。設(shè)備簡(jiǎn)單，是有應(yīng)用價(jià)值的濃縮方法和可被工業(yè)采用的裝置。
文檔編號(hào)B01D59/00GK1073123SQ92110508
公開(kāi)日1993年6月16日 申請(qǐng)日期1992年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月8日
發(fā)明者朱熙文, 黃貴龍, 梅鋼華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理研究所