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原子蒸气激光同位素分离

二月 07, 2023

原子蒸气激光同位素分离法，也称AVLIS，为一种选择性电离元素（通常是铀）中特定质量的同位素，实现同位素分离的方法。其使用特殊工作波长的调谐激光，原理基于不同质量的同位素吸收光谱存在同位素位移。[1][2]

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)内的一套原子蒸气激光同位素分离装置。图中发出绿光的装置为铜蒸气泵浦激光器，它作为泵浦能量源驱动精密调谐波长的染料激光器（橙色光束）

较之气体离心法，AVLIS能够实现更低的能耗与更高的分离效率。其分离过程也能减少传统法所带来的较大放射性废料排放量。

另一种与其类似的技术利用激光分离分子而非原子，被称为分子激光同位素分离工艺（MLIS）。

原理

由于它们的超精细结构差异，235U与238U的吸收光谱存在细微不同：238U的吸收峰位于502.74nm，而235U的吸收峰则移动至502.73nm。AVLIS过程使用可调谐染料激光，这种激光的中心发射波长能被准确调谐，使混合物中的235U吸收光子跃迁至激发态，产生光致游离并电离成离子。电离出的235U离子束被静电场偏置方向进入收集装置，而中性的238U则不受电场影响无碍通过。

一套完整的AVLIS系统由铀蒸发系统、激光系统与尾料收集器组成。铀蒸发系统通常由大功率条带式或扫描式电子束枪组成，打到混合物靶上的能量大于2.5 kW/cm，生成高纯度的气态铀元素。

激光激发

通常情况下，AVLIS使用的激光器由两级组成：铜蒸气激光器（CVL）与可调脉冲染料激光器。前者的作用是染料激光器的泵浦光源。[3][4]铜蒸气激光器作为波长、模式可调谐的主振荡器提供窄线宽、低噪声与高波长稳定性的种子光源。[5] 它的输出功率被作为光放大器的染料激光器放大，并最终照射至铀蒸汽样品上。需要指出的是在AVLIS过程中235U原子并非被直接电离，而是吸收一个小于电离能的光子到达激发态，再吸收第二、第三个光子的能量完成电离的逐级电离过程。因此AVLIS的激光装置需三个不同波长的激光照射铀蒸气以完成三光子电离。[6]

分离其它元素的原子蒸气激光同位素（如对锂的同位素分离）通常采用窄线宽的可调谐半导体激光器。[7]

商业化与国际意义

在1994年，在美国政府史上规模最大的联邦技术转移过程中，AVLIS流程被转让至美国浓缩公司（United States Enrichment Corporation）并实现商业化。但在投资了一亿美元资金后，美国浓缩公司在1996年6月9日取消了AVLIS技术的生产计划。

当前某些国家仍然在持续研究推进AVLIS技术与配套工艺，并使国际社会对核技术监管提出了挑战。[8] 根据目前的公开资料显示，伊朗曾经秘密开展过AVLIS技术的研究计划。但在2003年被曝光后，伊朗政府声称该计划所涉及的实验设施已被拆除。[9][10]

工艺简史

公开文献来源显示，AVLIS技术最早于1970年代初分别被前苏联与美国同时发明。[11]在美国，尽管有数个国家实验室参与了AVLIS的早期研究，其主要研究工作实由劳伦斯利弗莫尔国家实验室负责进行。包括澳大利亚（1982-1984）、法国（1984）、印度（1994）与日本（1996）等国家的学术界也陆续发表了可用于AVLIS浓缩铀的可调谐激光器研究。[11]

参见

参考资料

  1. ^ L. J. Radziemski, R. W. Solarz, and J. A. Paisner (Eds.), Laser Spectroscopy and its Applications (Marcel Dekker, New York, 1987) Chapter 3.
  2. ^ Petr A. Bokhan, Vladimir V. Buchanov, Nikolai V. Fateev, Mikhail M. Kalugin, Mishik A. Kazaryan, Alexander M. Prokhorov, Dmitrij E. Zakrevskii: Laser Isotope Separation in Atomic Vapor. Wiley-VCH, Berlin, August 2006, ISBN 3-527-40621-2
  3. ^ F. J. Duarte and L.W. Hillman (Eds.), Dye Laser Principles (Academic, New York, 1990) Chapter 9.
  4. ^ C. E. Webb, High-power dye lasers pumped by copper vapor lasers, in High Power Dye Lasers, F. J. Duarte (Ed.) (Springer, Berlin, 1991) Chapter 5.
  5. ^ F. J. Duarte and J. A. Piper, Narrow linewidth high prf copper laser-pumped dye-laser oscillators, Appl. Opt. 23, 1391-1394 (1984).
  6. ^ . Iraqwatch.org. [2010-11-22]. （原始内容存档于2011-05-14）. 
  7. ^ I. E. Olivares, A. E. Duarte, E. A. Saravia, and F. J. Duarte, Lithium isotope separation with tunable diode lasers, Appl. Opt. 41, 2973-2977 (2002).
  8. ^ Ferguson, Charles D.; Boureston, Jack. Laser Enrichment: Separation Anxiety. Council on Foreign Relations. March–April 2005 [2010-11-22]. （原始内容于2010-12-22）. 
  9. ^ Ferguson, Charles D.; Boureston, Jack. Focusing on Iran's Laser Enrichment Program (PDF). FirstWatch International. June 17, 2004 [2010-11-22]. （原始内容 (PDF)于2013-05-14）. 
  10. ^ Paul Rogers. . Oxford Research Group. March 2006 [2010-11-22]. （原始内容存档于2007-02-06）. 
  11. ^ 11.0 11.1 F. J. Duarte. Tunable laser atomic vapor laser isotope separation. F. J. Duarte (Ed.) (编). Tunable Laser Applications 3rd. Boca Raton: CRC Press. 2016: 371–384. ISBN 9781482261066. 

外部链接

  • Report on Iranian AVLIS program （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  • .
  • Laser isotope separation uranium enrichment（页面存档备份，存于互联网档案馆）
  • Overview of Uranium Atomic Vapor Laser Isotope Separation （页面存档备份，存于互联网档案馆） R.M. Feinburg and R.S. Hargrove. UCRL-ID-114671 August 1993.
  • page at LLNL

二月 07, 2023
原子蒸气激光同位素分离, 也称avlis, 为一种选择性电离元素, 通常是铀, 中特定质量的同位素, 实现同位素分离的方法, 其使用特殊工作波长的调谐激光, 原理基于不同质量的同位素吸收光谱存在同位素位移, 劳伦斯利弗莫尔国家实验室, llnl, 内的一套装置, 图中发出绿光的装置为铜蒸气泵浦激光器, 它作为泵浦能量源驱动精密调谐波长的染料激光器, 橙色光束, 较之气体离心法, avlis能够实现更低的能耗与更高的分离效率, 其分离过程也能减少传统法所带来的较大放射性废料排放量, 另一种与其类似的技术利用激光分离分. 原子蒸气激光同位素分离法 也称AVLIS 为一种选择性电离元素 通常是铀 中特定质量的同位素 实现同位素分离的方法 其使用特殊工作波长的调谐激光 原理基于不同质量的同位素吸收光谱存在同位素位移 1 2 劳伦斯利弗莫尔国家实验室 LLNL 内的一套原子蒸气激光同位素分离装置 图中发出绿光的装置为铜蒸气泵浦激光器 它作为泵浦能量源驱动精密调谐波长的染料激光器 橙色光束 较之气体离心法 AVLIS能够实现更低的能耗与更高的分离效率 其分离过程也能减少传统法所带来的较大放射性废料排放量 另一种与其类似的技术利用激光分离分子而非原子 被称为分子激光同位素分离工艺 MLIS 目录 1 原理 2 激光激发 3 商业化与国际意义 4 工艺简史 5 参见 6 参考资料 7 外部链接原理 编辑由于它们的超精细结构差异 235U与238U的吸收光谱存在细微不同 238U的吸收峰位于502 74nm 而235U的吸收峰则移动至502 73nm AVLIS过程使用可调谐染料激光 这种激光的中心发射波长能被准确调谐 使混合物中的235U吸收光子跃迁至激发态 产生光致游离并电离成离子 电离出的235U离子束被静电场偏置方向进入收集装置 而中性的238U则不受电场影响无碍通过 一套完整的AVLIS系统由铀蒸发系统 激光系统与尾料收集器组成 铀蒸发系统通常由大功率条带式或扫描式电子束枪组成 打到混合物靶上的能量大于2 5 kW cm 生成高纯度的气态铀元素 激光激发 编辑通常情况下 AVLIS使用的激光器由两级组成 铜蒸气激光器 CVL 与可调脉冲染料激光器 前者的作用是染料激光器的泵浦光源 3 4 铜蒸气激光器作为波长 模式可调谐的主振荡器提供窄线宽 低噪声与高波长稳定性的种子光源 5 它的输出功率被作为光放大器的染料激光器放大 并最终照射至铀蒸汽样品上 需要指出的是在AVLIS过程中235U原子并非被直接电离 而是吸收一个小于电离能的光子到达激发态 再吸收第二 第三个光子的能量完成电离的逐级电离过程 因此AVLIS的激光装置需三个不同波长的激光照射铀蒸气以完成三光子电离 6 分离其它元素的原子蒸气激光同位素 如对锂的同位素分离 通常采用窄线宽的可调谐半导体激光器 7 商业化与国际意义 编辑在1994年 在美国政府史上规模最大的联邦技术转移过程中 AVLIS流程被转让至美国浓缩公司 United States Enrichment Corporation 并实现商业化 但在投资了一亿美元资金后 美国浓缩公司在1996年6月9日取消了AVLIS技术的生产计划 当前某些国家仍然在持续研究推进AVLIS技术与配套工艺 并使国际社会对核技术监管提出了挑战 8 根据目前的公开资料显示 伊朗曾经秘密开展过AVLIS技术的研究计划 但在2003年被曝光后 伊朗政府声称该计划所涉及的实验设施已被拆除 9 10 工艺简史 编辑公开文献来源显示 AVLIS技术最早于1970年代初分别被前苏联与美国同时发明 11 在美国 尽管有数个国家实验室参与了AVLIS的早期研究 其主要研究工作实由劳伦斯利弗莫尔国家实验室负责进行 包括澳大利亚 1982 1984 法国 1984 印度 1994 与日本 1996 等国家的学术界也陆续发表了可用于AVLIS浓缩铀的可调谐激光器研究 11 参见 编辑美国原子能委员会 电磁型同位素分离器 原子谱线 气体扩散法 激光 核燃料循环 核能参考资料 编辑 L J Radziemski R W Solarz and J A Paisner Eds Laser Spectroscopy and its Applications Marcel Dekker New York 1987 Chapter 3 Petr A Bokhan Vladimir V Buchanov Nikolai V Fateev Mikhail M Kalugin Mishik A Kazaryan Alexander M Prokhorov Dmitrij E Zakrevskii Laser Isotope Separation in Atomic Vapor Wiley VCH Berlin August 2006 ISBN 3 527 40621 2 F J Duarte and L W Hillman Eds Dye Laser Principles Academic New York 1990 Chapter 9 C E Webb High power dye lasers pumped by copper vapor lasers in High Power Dye Lasers F J Duarte Ed Springer Berlin 1991 Chapter 5 F J Duarte and J A Piper Narrow linewidth high prf copper laser pumped dye laser oscillators Appl Opt 23 1391 1394 1984 Annex 3 List of Items to Be Reported to IAEA Iraqwatch org 2010 11 22 原始内容存档于2011 05 14 I E Olivares A E Duarte E A Saravia and F J Duarte Lithium isotope separation with tunable diode lasers Appl Opt 41 2973 2977 2002 Ferguson Charles D Boureston Jack Laser Enrichment Separation Anxiety Council on Foreign Relations March April 2005 2010 11 22 原始内容存档于2010 12 22 Ferguson Charles D Boureston Jack Focusing on Iran s Laser Enrichment Program PDF FirstWatch International June 17 2004 2010 11 22 原始内容存档 PDF 于2013 05 14 Paul Rogers Iran s Nuclear Activities Oxford Research Group March 2006 2010 11 22 原始内容存档于2007 02 06 11 0 11 1 F J Duarte Tunable laser atomic vapor laser isotope separation F J Duarte Ed 编 Tunable Laser Applications 3rd Boca Raton CRC Press 2016 371 384 ISBN 9781482261066 外部链接 编辑USEC News Release Cancelling AVLIS Report on Iranian AVLIS program 页面存档备份 存于互联网档案馆 Oxford Research Group report on Iran s nuclear activities Laser isotope separation uranium enrichment 页面存档备份 存于互联网档案馆 Overview of Uranium Atomic Vapor Laser Isotope Separation 页面存档备份 存于互联网档案馆 R M Feinburg and R S Hargrove UCRL ID 114671 August 1993 Laser Isotope Separation page at LLNL 取自 https zh wikipedia org w index php title 原子蒸气激光同位素分离 amp oldid 67209474, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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