nol a Ten nzagelegging nu

Transcriptie

1 Octrooiraad nol a Ten nzagelegging nu Nederland [19] NL [54] Werkwijze voor het scheiden van tenminste twee chemische soorten, meer in het bijzonder voor het scheiden van isotopen. [51] Int.CK: B01D59/34. [71] Aanvrager: Western Electric Company, Incorporated te New York, [74] Gem.: Dr. S. Rosenthal c.s. Vereenigde Octrooibureaux Bezuidenhoutseweg 105 '. "s-gravenhage. [21] Aanvrage Nr (22[ Ingediend 31 december [32] Voorrang vanaf 2 januari [33] Land van voorrang: Ver. St. v. Am. (US). [31] Nummer van de voorrangsaanvrage: [23] -- [61] -- i» [62 -- [43] Ter inzage gelegd 6 juli De aan dit blad gehechte afdruk van de beschrijving met conclusie(s) en eventuele tekening(en) bevat afwijkingen ten opzichte van de oorspronkelijk ingediende stukken; deze laatste kunnen bij de Octrooiraad op verzoek worden ingezien.

2 vo ' Western Electric Company, Incorporated, : NEW YORK. erkwijze voor het scheiden van tenminste twee chemische soorten, meer in het "bijzonder voor het scheiden van isotopen. De uitvinding heeft betrekking op het scheiden van chemische soorten en meer in het hijzonder op het scheiden van isotopen. Gewoonlijk berust het scheiden van isotoopsoorten op een verschil in afmeting of beweeglijkheid, die rechtstreeks betrokken is op de verandering van het atoomgewicht als gevolg van een variërende neutroneninhoud. Voorbeelden omvatten diffusiescheiding, soms geholpen door verhoogde temperatuur, centrifugeren enz. In het algemeen is het scheidingsrendement vrij laag en is het noodzakelijk zijn toevlucht te nemen tot een aantal scheidingstrappen. Zie V. S. Letekhov, I80/ Science, blz (1973) voor een overzicht van dergelijke processen. De ontwikkeling van de laser en bijbehorende technologie leidt tot het beschikbaar zijn van scherp gedefinieerde stralingsgolflengten» en een aantal onderzoekers hebben scheidingsprocedures om het concept van selectieve absorptie ontworpen. Zie bijvoorbeeld de Amerikaanse octrooischriften en' Dergelijke procedures, die in het algemeen berusten op elektrische veldscheiding van selectief bekrachtigde soorten hebben niet geleid tot een efficiente scheiding. Beperkingen zijn waarschijnlijk het gevolg van de zeer kleine verschillen in absorptieniveaus voor verschillende isotoopsoorten, alsmede van botsingsbekrachtiging (onregelmatigheid) gedurende de laatste scheidingstrap. De uitvinding beoogt deze moeilijkheden te verminderen door het verschaffen van een werkwijze, waarmede een snelle effectieve scheiding, bijvoorbeeld van isotopen, kan worden bewerkstelligd. De uitvinding verschaft een werkwijze voor het 1 scheiden van tenminste twee chemische soorten, vervat in i een damp en wordt gekenmerkt door het bestralen van de damp, *

3 > - 2 -,,,, ( I teneinde elektronisch, een van de gekozen soorten te bekrach-' tigen, waarbij de straling een scherp gedefinieerd spectraal gedeelte bevat voor het bekrachtigen van de gekozen soort tot een verhoogde trillingstoestand en-een gedeelte voor het elektronisch verhogen van het energieniveau van de gekozen soort in de verhoogde trillingstoestand tot een elektronisch verhoogd niveau, waarin elektronische ladingen worden gescheiden en doordat de damp een nagenoeg verzadigde atmosfeer verschaft, die nagenoeg geen oplosmiddel is voor elk soort in gecombineerde vorm, zodat de gekozen- soort nucleëringsplaatsen voor de condenseerbare damp vormt en de gekozen soort selectief op de plaatsen neerslaat. Typisch zijn de isotoopsoorten hetzelfde element en zij kunnen bijvoorbeeld in ionisch gecombineerde vorm zijn Nauw betrokken soorten, gewoonlijk isotoopsoorten, worden gescheiden door een proces, dat gebruik maakt van fotonabsorptie (gemakshalve vindt Vie verdere bespreking in termen van isotoopsoorten plaats), In de verwerkingstoestand bevinden de te scheiden soorten zich in de damptoestand, in het algemeen, doch niet noodzakelijkerwijze, chemisch gecombineerd met een of meer verschillende elementen. De damp wordt in een omgeving gehandhaafd, die een andere dampcomponent bevat, die op een verzadigings- of nabij- verzadigingsniveau is. Deze andere dampcomponent wordt bij voorkeur, doch niet noodzakelijkerwijze, zodanig gekozen, dat het geen oplosmiddel is voor de te scheiden dampsoorten. Het eerste absorptieniveau gaat gepaard, met een scherp gedefinieerde stralingsband van een zodanige golflengte, dat slechts één van de isotoopsoorten op een trillingsniveau boven de grondtoestand komt. Dergelijke trillingsniveaus zijn rechtstreeks betrokken op massa; en derhalve zijn de verbindingen of andere gecombineerde vormen van verschillende isotoopsoorten gemakkelijk te onderscheiden, gebaseerd op veranderend atoomgewicht als gevolg van de verschillende neutroneninhoud. Bekrachtiging op het ionisatie- 1 '

4 niveau (of in een andere toestand gepaard gaande met ladingsscheiding, "bijvoorbeeld dipool in bekrachtigde toestand) wordt. vervolgens bereikt door absorptie van straling van desbetreffende golflengte door de door trilling bekrachtigde soort. Gemakshalve vindt de volgende bespreking in termen van de gebruikelijke geïoniseerde soorten plaats. Deze tweede bekrachtigingsstap, die gepaard kan gaan met meer dan één extra foton, gaat in het algemeen, doch niet noodzakelijkerwijze gepaard met een verschillende stralingsgolflengte, kan hetzij met direkte absorptie op het ionisatieniveau of door autoionisatie voortschrijden. Dit laatstgenoemde proces is het gevolg van absorptie op iets hover niveau en door latere relaxatie tot het ionisatieniveau. Het ionisatieniveau van de bekrachtigde te scheiden soort is waarschijnlijk op een kwantumniveau beneden dat van de andere soort. De zeer hoge selectiviteit van de ionisatie van isotopensoorten - gewoonlijk tenminste 95$» - is e en gevolg van de eerste bekraohtigingsstap. Enkelvoudige fotonabsorptie of zelfs meervoudige fotonabsorptie, niet gepaard gaande met trillingsniveaus, zijn daarentegen betrekkelijk nlet-selectief, aangezien het ionisatieniveau (of dissociatieniveau) een functie van elektronische in pl'aats van nucleaire configuratie is. Fanneer eenmaal een selectieve ionisatie tot stand is gebracht, vindt de uiteindelijke scheiding plaats door neerslag van de verzadigde damp. Deze dampcomponent wordt aangetrokken naar en slaat neer op. geïoniseerd materiaö.1 als gevolg van de krachten volgens dfe wet van coulomb. De meest effectieve scheiding vindt plaats voor de lichte elementen, aangezien trillings niveaus" iret gemakkelijkst kunnen worden onderscheiden, Trillingsniveaus voor zware elementen met atoomgewicht zelfs hoger dan 200, vertonen echter nog steeds eèn variatie van tenminste ongeveer 0,5 Trillingsniveauverandering is groter voor isotopen.die door hun inhoud van meer dan 1 neutron per atoom verschillen. Yanneer de onvermengbaarheid nagenoeg volmaakt is t

5 ' worden niet-geïoniseerde soorten niet opgelost (worden niet verzameld in de neerslaande vloeistof) en de scheiding is uitstekend. De laatste stap is het verzamelen van de neergeslagen vloeistof en het verwijderen van de gevangen isotoopsoort, waarschijnlijk door verdamping. Specifieke bijzonderheden van de uitvinding zullen thans bij wijze van voorbeeld onder verwijzing naar de tekening worden beschreven, die een schematische voorstelling van een inrichting weergeeft, met behulp waarvan de uitvinding kan worden toegepast. De figuur toont een stralingsbron 1, die een laser kan zijn, bijvoorbeeld een modus-vergrendelde neodynium-yag laser, een spectraal vernauwingselement 2, dat de vorm van ' een Fabry-Perot met eindleden 3 en 4 kan hebben onder zodanige Bragg hoeken, dat de spectrale bandbreedte van het axiale gedeelte van de resonerende straling tot een gewenste waarde wordt versmald. Dit element, weergegeven als een gedeelte van de laserholte, gedefinieerd door reflecterende leden $ en 6, kan alternatief ergens anders in de Inrichting worden gebruikt, bijvoorbeeld achter het element 7«Het facultatieve element 7 is weergegeven als een midd^l voor het omzetten van een gedeelte van de straling, afkomstig van de laser 1 in straling van een golflengte, nodig om te voldoen aan een van de twee bekrachtigingseisen. Het element 7 is volgens een voorb eeld 1, een watercel uitgerust met.geschikte filters teneinde in de uitgangsstraling een voorgeschreven, omlaaggeschoven component te bevatten. Het omlaag schuiven in energie is een gevolg van een Stokes-Raman verstrooiingsmechanisme. In voorbeeld 1 was de ingang&straling naar het element 7 niet sterk gefocusseerd, zodat de uitgangsstraling bestond uit een reeks geprononceerde emissielijnen in plaats van een virtueel continuum, In het bijzondeie voorbeeld was de ingangsstraling van de neodynium-yag- modus-vergrendelde laser 1 op 9^31 cm" 1 ejx de.lijn, die het element; 7 kun pas j j

6 seren was op 6431 cm"""*" (tezamen met enige niet-omgezette straling)» De spiegel 8 is slechts een illustratief element en is uitgevoerd om bijvoorbeeld de omlaag geschoven component van het element 7 door te laten, terwijl de niet-geconverteerde straling van het element 1 wordt gereflecteerd. Facultatieve elementen 9 en 11 zijn niet-lineaire inrichtingen, bijvoorbeeld van een zodanige uitvoering, dat zij in wezen niet-kritisch in faze zijn aangepast voor de tweede of hogere harmonische van de niet-geconverteerde straling. Voor voorbeeld 1 is het element 9 een kristal van kalium-dihydrogeen-fosfaat (KDP), dat een tweede harmonische (uit de lïd-yag uitgang) van 5300 Angstrom eenheden of cm -1 levert. In dit voorbeeld wordt de uitgangsstraling van het element 9 totaal gereflecteerd door de spiegel 10 teneinde het verdubbelingselement 11 binnen te komen. Voor voorbeeld 1 is het element 11 vervaardigd uit een kristal van ammonium-dihyet drogeen-fosfaat (ADP), dat een tweede harmonische van 2650 Angstrom eenheden of ongeveer cm"^ levert. De.elementen 9 en 11 kunnen voorzien zijn. van filters om alleen de opgewekte tweede harmonische door de laten. Reflecterende spiegels 12 en 13 dienen om de verdubbelde uitgangsstraling van het el'ement 11 in het vat l4 te richten, waarin de omlaag geschoven uitgangsstraling van het element 7 eveneens wordt ingevoerd. Het vat 14 bevat een dampmengsel van isotoopsoorten, die moeten worden gescheiden. De voering 15# eventueel voorzien van een verwarmingsinrichting 16, is een houder voor dampcomponent 17» waarmede de omgeving in het vat 14 moet worden verzadigd. In voorbeeld 1 is deze component 17 een lichte machine-olie. De voering 15 is geperforeerd om het de component 17 in. dampfaze mogelijk te maken het hoofdvolume, gedefinieerd door het vat 14, binnen te komen. De uiteindelijke scheiding van druppeltjes, bij voorkeur genucleeerd door geïoniseerde isotoopsoorten, kan in een houder, bijvoorbeeld 18, geschieden» De figuur is grotendeels bij wijze van voorbeeld,

7 waarbij verscheidene van de elementen zijn ontworpen voor het uitvoeren van de vereiste verschuiving voor de bepaalde laser 1 waarbij een specifiek isotoopmengsel wordt aangenomen. De genoteerde bepaalde golfgetallen zijn voor voorbeeld 1, dat betrekking heeft op het scheiden van Cl van Cl^. Het scheidingsproces is op een verscheidenheid van isotoopmengsels toegépast. Bepaalde fotonenergiewaarden werden soms gekozen in verband met het oog op doelmatigheid. Bemerkt werd, dat de doeltreffendheid van het proces afhangt van het gemak, waarmede overeenkomstige trillingsniveaus gedifferentieerd kunnen worden. Deze discriminatie is gebaseerd op het feit, dat bij de eerste benadering, het eerste bekrachtigde trillingsniveau rechtstreeks evenredig met massa is. Discriminatie is adekwaat voor hogere trillingsniveaus, meer in het bijzonder voor lichtere elementen. Bijvoorbeeld in voorbeeld 1 werd de gekozen omlaag geschoven lijn van de watercel geabsorbeerd bij een tweede trillingsniveau van Cl. Selectiviteit voor het proces hangt af van de selectieve bekrachtiging van de gekozen isotoopsoort tot een trillingsniveau. Trillingsniveaus Voor aangegeven leden van Isotoopparen zijn opgenomen in de tabel. In het algemeen ligt de levensduur van de tril- «lingsniveaus in de orde van grootte van milliseconden, zodat bepaalde ionisatie via het voorgeschreven tweede fotonproces gelukt met gematigde vermogens. De snelheid van de isotoopscheiding neemt echter met vermogen, ruw lineair toe, zodat hogere vermogens zowel bij de eerste 'als tweede fotonniveaus nuttig zijn. Voorbeeld 1 werd uitgevoerd met een Nd-YAG modusvergrendelde laser, die impulsen emitteert met een duur van Ongeveer 10 picoseconden, gescheiden door ongeveer 6 nanose-, c'onden met piekvermogens van ongeveer 5 x 10 watt. De daar beschreven inrichting resulterende in eerste foto-energie met p iekvermogen van ongeveer 109 watt en tweede fotonenergie met S 35 ongeveer 10 watt, leidt tot een productie van met een I rendement van ongeveer 95 Zoals verwacht werd, hangt het scheidingsrendement ook I

8 af van de isotoopconcentratie in de. damp 0 Het meest effectieve energiegebruik vereist nagenoeg totale absorptie in de cel, waarin de scheiding plaats vindt. Voor voorbeeld 1 werd een "7 18 ' dampcencentratie van totaal HCl -HC van 3 x 10 moleculair/ 3 cm voor een celafmeting in de bundelrichting van ongeveer 10 cm 3 5 gebruikt. Deze inhoud stelde 75»53 procent HCl voor, uitgedrukt als een percentage van het totale.hcl mengsel. Het behouden van bekrachtiging op het ionisatieniveau is minder kritisch. De lijnbreedte kan aanzienlijk breder zijn dan die van de straling, gebruikt voor het bereiken van het trillingsniveau. De toegestande spectrale breedte is voor een minimumwaarde vereist om juist te voldoen aan het vereiste energieniveauverschil tussen het bereikte trillingsniveau en het ionisatieniveau enerzijds, en de waarde juist beneden die, vereist voor het befeiken van een ionisatieniveau met behulp van een enkelvoudig fotonproces. In voorbeeld 1 loopt dit ge bied van 4080 cm tot cm,. Bovenste niveaus binnen dit gebied leiden tot populatie van een ionisatieniveau door het proces, bekend als auto-ionisatie. Terwijl een bepaalde geringe selectiviteit mogelijk is door nauwkeurige regeling van het energiekwantum, gebruikt voor het bereiken van het ionisatieniveau, wordt selectiviteit het best bereikt bij het trillinjfeniveau. Door geschikte keuze van het eerste kwantumniveau is het mogelijk een willekeurig (of elke) isotoopsoort selectief te bekrachtigen. Zelfs hier is er echter een voorkeur voor het kiezen van dié soort, die het laagste niveau van h,et desbetreffende trillingsniveaupaar heeft, aangezien deze keuze elke ongewilde bekrachtiging van de andere isotoopsoort verhindert, (het kiezen van het hogere lid van overeenkomstige trillingsniveaus kan een bepaalde bekrachtiging van het onderste energielid door een rélaxatieproces mogelijk maken). Trillings- en ionisatieniveaus van illustratieve isotopen zijn in de tabel opgenomen, (zie tabelblad),

9 Voor een hoger rendement is het een algemene eis, dat het vloeibare neerslagmiddel geen oplosmiddel is voor enige isotoopdampsoort in niet-geïoniseerde vorm. Elke noemenswaardige oplosbaarheid leidt tot oplossing van niet-geïoniseerde soorten (d.w.z. door zelf-ionisatie) en verlaagt het scheidingsrendement. Bruikbare neerslagmaterialen zijn niet-ioniseerbare - d.w.z. tweewaardig gebonden koolwaterstoffen., Voorbeelden Voorbeeld 1 Onderstaand wordt het scheiden van een , procent mengsel van HC1 -HCl^ beschreven: een mengsel van één gram in vloeibare toestand wordt in. een glazen vat ge- 3 plaatst met ongeveer een capaciteit van 100 cm, dat voorzien is van een binnenste houder van een uit een paraffine houdende koolwaterstof bestaand koolwaterstofneerslagmiddel, eveneens in vloeibare toestand. Het neerslagmiddel is een licht machine-olie met een moleculair gewicht van ongeveer 100. De binnenste houder is voorzien van een resistieve verwarmingsman- 7 tel. Het vat wordt luchtledig gemaakt tot 10 mm/hg en de binnenste houder wordt verwarmdom het grootste voltune van het vat met olie te verzadigen. Aangezien HC1 een redelijke dampdruk heeft is het niet nodig dit \sotoopmengsel te verwarmen. Een bundel bevattende een 9431 cm met een cm" 1 component, tezamen wordt geleverd door~een Nd-YAG laser modusvergrendeld met behulp van een zeif-blekende kleurstof voor het leveren van impulsen met een duür van ongeveer 100 picoseconden bij een piekvermogen van ongeveer 5 gigawatt, gescheiden door intervallen van 6 nanoseconden. Ben Éabry-Perot.onder een geschikte hoek met de hartlijn van de laserholte wordt gebruikt voor het verminderen van de lijnbreedte tot -1 ongeveer + 20 cm. De resulterende uitgangsstraling wordt ingevoerd in een watercel, voorzien van filters, uitgevoerd voor het doorlaten van de fundamentele Nd-YAG straling bij cm -1 tezamen met straling overeenkomende met een omlaag

10 geschoven. Stakes-Raman lijn bij 6431 cm. -1» De andere straling wordt rechtstreeks in het vat gevoerd, terwijl de eerstgenoemde straling twee opeenvolgende SHG elementen - het eerste, KDPj het tweede, ADP - wordt gevoerd voor het verkrijgen van de verdubbelde energie bij 2650 Angstroom eenheden of 377^4 cm \ Waargenomen werd, dat druppels zich op het vat vormen en deze worden verzameld met een snelheid van ongeveer 10 ml/min. Het HCl wordt van de olie door distilleren gescheiden met een opbrengst van 99» 9 procent. Voorbeeld U kan worden gescheiden volgens de volgende profto Q cedure van U. De procedure gaat gepaard met het scheiden 23 t van de vluchtige samenstelling TJ van U F^. Een trillingsniveau van de samenstelling wordt bekrachtigd door bestraling bij 2053 Het overeenkomstige U F^ niveau 1 1 is 1,6 cm hoog (2054,6 cm ). Gebruik wordt gemaakt van een Raman-verschoven Nd-YAG laser werkende met een centrale frequentie van 2053 cm"*^*. "Werking met een laserbandbreedte van 1,5 cm of minder verzekert selectiviteit. Gelijktijdige bestraling door UV laser, die stralen met een golflengte van 8776 /um emitteert, verhoogt selectief de door trilling bekrachtigde TJ F>- tot het eerste ionisatieniveau. De ionisa- 00 K «tiepotentiaal voor U F^ bedraagt 14,5 ev,'hetgeen zeer pog dicht is bij de enigszins hogere waarde van TJ F^ (ongeveer 14,51 ev). Selectiviteit volgens de algemene leer van de uitvinding wordt vergemakkelijkt door initiële bekrachtiging van de gewenste isotoopsamenstelling tot* een trillingsniveau overeenkomende met ongeveer 2000 cm, zodat de bandbreedteeis voor selectieve ionisatie wordt verminderd tot êen toegestane breedte van ongeveer 4000 cm 1 stappen bestaande proces. door het uit twee Scheiding wordt in de in de figuur weergegeven installatie verkregen door het gebruiken van een verzadigde atmosfeer - in dit geval van machine-olie die selectief neerslaat op het selectief geïoniseerde U Fg als gevolg

11 van de krachten volgens de wet van coulomb. Overeenkomstig de voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding minimaliseert de keuze van machine-olie als het verzadigde atmosferische poo fluidum ongewenste oplossing van niet-geïoniseerd TJ F^. \

12 CONCLUSIES s 1. Werkwijze voor het scheiden van tenminste twee chemische soorten, vervat in een damp, waarbij de damp wordt bestraald teneinde elektronisch een van de gekozen soorten te bekrachtigen met het kenmerk, dat de bestraling een - scherp gedefinieerd spectraal gedeelte voor het bekrachtigen van de gekozen soort tot een verhoogde trillingstoestand en een gedeelte voor bet elektronisch verhogen van het energieniveau van de gekozen soort in de verhoogde trillingstoestand tot een elektronisch verhoogd niveau bevat, waarbij elektronische ladingen worden gescheiden en dat de damp een nagenoeg verzadigde atmosfeer verschaft, die in wezen geen oplosmiddel is voor enige soort in gecombineer de vorm, zodat de., gekozen soort nucle'éringsplaatsen vormt voor de condenseerbare damp en de gekozen soort selectief op de plaatsen neerslaat. «2. "Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de soorten isotoopsoorten van hetzelfde element zijn. 3. Werkwijze volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat de soorten in chemisch gecombineerde vorm zijn. 4. Werkwijze volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat de chemisch gecombineerde vorm een 4 onensaniens telling is. 5. Werkwijze volgens conclusie 1-4 met het kenmerk, dat het elektronisch verhoogde niveau een ionisatieniveau is 6. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het elektronisch verhoogde niveau,overeenkomt met een dipool» in een bekrachtigde toestand» 7. Werkwijze volgens conclusie 1-met het kenmerk, dat het elektronisch verhoogde niveau van. de te scheiden soort een kwantumniveau beneden dat van-de andere soort is. 8.. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het elektronisch verhoogde niveau een ionenniveau is en dat de ionisatie door auto-ionisatie voortschrijdt. 9- Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de soorten chloorisotopen zijn

13 Werkwijze volgens een der conclusies 1-8 met het kenmerk, dat de soorten waterstofisotopen zijn. 11. Iv'erkwijze volgens een der conclusies 1-8 met het kenmerk, dat de soorten uraniumisotopen zijn. 12. Isotoopsoort gescheiden met behulp van de werkwijze volgens een der conclusies

14 Is ot oop Hatmirli.iko abondantie Samenstelling Tril] ingsenergie (cra"" 1 )AE v lonlsatie van sum en e telling (crct ) (Verandering in V^) potentiaal (ev) Ol OI RO rs> H 1 99,985 HJO H 2 (D) 0,015 H 2 O C ,53 HC ,47 HC ,7 1178,7 I 2666 ' ""» ,4 -^85, ,50 12,51 12,78 12,782 B 1 19,6 B 1^ B 11 80,4 B 11 F 3 ÏÏ235 0,72 ÏÏ 239 F 6 N238 99,27 Ü 238 F , ,5 12,5(1) 14,5 '^14,5 * 99,63 N U 0 N 15 0,37 N ,25 9,25 I C 12 98,89 G 12 O c 13 1,11 c 13 o' 2143,16 MBPMNMr«Mr WC»»'»"»,» 2096,07 47,09 14 B 79 2 B ,54 49,46 HB 2 79 HB 7 Ö1 2558^ ,40 1 0,36 12,09

15 Western E-cir* *