5.4 Резонансное возбуждение частиц. Селективное возбуждение изотопов

С использованием перестраиваемого по частоте излучения лазера можно реализовать методы лазерного охлаждения атомов, лазерного разделения изотопов (обогащения или обеднения естественной смеси изотопов каким-либо одним изотопом) и др.

Лазерное разделение изотопов основано на том, что различные изотопы данного элемента могут характеризоваться сдвинутыми по частоте контурами резонансного поглощения оптического излучения; т.е. каждому изотопу соответствует своя длина волны поглощаемого света, однако этот сдвиг обычно мал. Если контура поглощения не накладываются друг на друга, то “на одном из них” можно осуществить селективное (избирательное) поглощение и увеличение населённости верхнего квантового состояния соответствующего изотопа. Для этого надо иметь мощный узкополосный источник света с возможностью плавной перестройки по частоте, например, лазер на красителе или на сапфире, легированном титаном (см., [4]).

Опишем метод лазерного разделения изотопов; который называют «двухступенчатой селективной фотоионизацией». Предположим, что имеется смесь двух изотопов; один из изотопов назовем «первым», а другой «вторым». Будем облучать эту смесь мощным лазером, подобрав длину волны излучения такой, чтобы происходило интенсивное резонансное поглощение света «первым», но не происходило поглощения «вторым» изотопом (рисунок 12). Поглощая свет, атомы «первого» изотопа “селективно” возбуждаются в состояние А*(М₁); атомы же «второго» изотопа А(М₂) остаются невозбуждёнными. Далее, подберём широкополосное вспомогательное излучение с такой величиной кванта, чтобы при его поглощении возбуждёнными атомами происходила бы их объёмная фотоионизация, в то время как для ионизации атома из невозбуждённого состояния, величины кванта этого излучения было бы недостаточно. Таким образом, после поглощения последовательно двух квантов излучения атомы изотопа М₁ окажутся в виде положительных ионов А⁺(М₁), которые затем легко можно “собрать” на отрицательно заряженном коллекторе.

В другом методе выделяются изотопы, входящие в состав молекул. Молекулы с «первым» изотопом, селективно поглощая лазерное излучение, диссоциируют на атомы. Если атомы являются химически активными, то они вступают в химическую реакцию со специально вводимыми в смесь другими вспомогательными частицами. В образующихся при этом молекулах нового химического соединения присутствуют атомы только «первого» изотопа. Затем это соединение отделяют химическими методами и, путем диссоциации получают нужный изотоп.

Рисунок 12 – Метод двухступенчатой фотоионизации, применяемый для обогащения изотопов (а), и спектры поглощения изотопов ₂₃₅U и ₂₃₈U (в единицах lgκ) (б)

Особенно остро проблема разделения изотопов, предполагающая отделение и последующее накопление нужного изотопа стоит в атомной энергетике, радиоэлектронике, медицине и др. областях науки, техники и технологии. Поясним принцип лазерного выделения нужного изотопа из естественной смеси изотопов на примере урана. Естественный уран содержит в основном изотоп ₂₃₈U и только 0,7% изотопа ₂₃₅U; хотя для ядерной энергетики важен как раз изотоп ₂₃₅U, и необходимо, чтобы содержание его в смеси изотопов (ядерном топливе) превосходило естественную концентрацию в 4-5 раз (составляло не менее 3%). То есть необходимо обогащение природного урана не менее чем в 4-5 раз. Здесь как раз и используется метод двухступенчатой фотоионизации: “монокинетический бесстолкновительный” пучок атомов урана из испарителя облучается точно подстроенным излучением лазера на красителе (λ=591,54мкм, hν≈2эВ) и одновременно–ультрафиолетовым излучением от ртутной лампы (λ=0,21...0,31мкм, hν~4…6 эВ). Пучок ионов изотопа ₂₃₅U отделяется от пучка нейтральных атомов изотопа ²³⁸U с помощью электрического поля, создаваемого коллектором положительных ионов. На рисунке 12 показаны резонансные линии поглощения для изотопов ₂₃₅U и ₂₃₈U, по горизонтальной оси отложено значение сдвига частоты, измеряемого в гигагерцах. Видно, что расстояние между линиями поглощения этих изотопов урана составляет более 5ГГц. Перестраиваемый лазер на красителе характеризуется шириной линии генерации 0,1ГГц; и такое излучение нетрудно настроить так, чтобы возбуждать только один изотоп.

Многоступенчатая схема используется также для наработки моноизотопов ₁₆₈Yb, ₁₀₅Pd и ₁₀₇Pd, для обеднения свинца радиоактивным изотопом ₂₁₀Pb и др.