способ разделения изотопов германия

Формула изобретения

Способ разделения изотопов германия газовым центрифугированием летучего химического соединения германия, отличающийся тем, что в качестве летучего химического соединения германия на газовое центрифугирование подают моногерман (GeH₄) и извлекают это соединение, обогащенное по целевому изотопу германия до требуемой величины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области разделения стабильных изотопов и касается разработки технологии разделения стабильных изотопов германия газовым центрифугированием и может быть использовано в полупроводниковой технике для создания высокочувствительных детекторов, фотоприемников и других полупроводниковых приборов и материалов.

Известный и используемый процесс газового центрифугирования в промышленных масштабах был разработан для разделения изотопов урана. Позднее, помимо разделения изотопов урана, центрифужную технологию развили в приложении к разделению стабильных изотопов других химических элементов - железа, вольфрама, ксенона, серы, молибдена и др. Главным условием применимости метода является наличие у элемента летучего химического соединения с достаточной упругостью паров. Принцип работы газовой центрифуги заключается в разделении газовой смеси в центробежном поле быстровращающегося ротора и в умножении этого эффекта по высоте ротора. При этом разделительный эффект определяется разностью молекулярных масс компонент разделяемой смеси. Для разделения стабильных изотопов используются специально разработанные газовые центрифуги (см. Изотопы: свойства, получение, применение. / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. 704 с).

Умножение эффекта разделения достигается каскадированием (последовательным соединением) газовых центрифуг. Длина каскада (количество ступеней) определяется необходимой степенью концентрирования изотопов. Ширина каскада (количество центрифуг в ступенях) определяет количество производимого изотопа.

Известен способ обогащения изотопов германия, включающий подачу летучего соединения германия, в качестве которого используют тетрафторид германия, в разделительную установку с газовым центрифугированием. Использование фторидов для разделения изотопов - общепринятая практика в центрифугировании (см. Изотопы: свойства, получение, применение. / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. 704 с).

Недостатком способа является то, что тетрафторид германия является крайне химически активным фторсодержащим веществом. В результате взаимодействия тетрафторида германия с конструкционными материалами разделительного оборудования и парами воды, поступающими в разделительные каскады газовых центрифуг, вследствие их неабсолютной герметичности коэффициент извлечения целевого изотопа на каждом этапе обогащения не превышает в среднем 95%. Кроме того, при переводе обогащенного тетрафторида германия в нелетучие формы, а именно в двуокись германия, и восстановление двуокиси германия до элементарного германия в водороде при температуре 600-700°С требуется специализированное оборудование и персонал.

Известен способ обогащения изотопов германия, включающий подачу летучего соединения германия, в качестве которого используют тетрахлорид германия, в разделительную установку с газовым центрифугированием (см. патент на изобретение РФ № 2152349 Cl).

Недостатком этого способа является наличие в тетрахлориде германия так называемых изотопных перекрытий вследствие того, что хлор не является моноизотопным и имеет два стабильных изотопа ³⁵Cl, ³⁷Cl. Это при разделении изотопов на газовых центрифугах обуславливает, во-первых, низкий коэффициент извлечения целевого изотопа, во-вторых, предельную величину обогащения изотопов ⁷²Ge, ⁷⁴Ge - 50,8% и 63%, соответственно. Это видно из таблицы 1, где приведено распределение молекулярных масс в тетрахлориде германия и изотопов германия по молекулярным массам.

Таблица 1
Распределение молекулярных масс в тетрахлориде германия и изотопов германия по молекулярным массам
Мол. масса, а.е.м.	210	212	213	214	215	216	217	218	219	220	221	222	224
С,%	6,68	17,58	2,53	27,66	3,27	24,46	1,59	12,05	0,34	3,31	0,03	0,47	0,03
Доля 70 Ge, %	100	49,2	0	15,2	0	3,7	0	0,6	0	0	0	0	0
Доля 72Ge, %	0	50,8	0	41,8	0	23	0	10,1	0	3	0	0	0
Доля 73Ge, %	0	0	100	0	100	0	100	0	100	0	100	0	0
Доля 74Ge, %	0	0	0	43	0	63	0	62,2	0	48,9	0	27,6	0
Доля 76 Ge, %	0	0	0	0	0	10,3	0	27,2	0	48,1	0	72,4	100
Примечания: 1. Природный изотопный состав хлора: 35Cl - 75,77% ат, 37Cl - 24,33% ат. 2. Природный изотопный состав германия: 70Ge - 20,5% ат, 72Ge - 27,4% ат, 73Ge - 7,8% ат, 74Ge - 36,55% ат, 76Ge - 7,8% ат.

С целью повышения содержания целевого изотопа германия и коэффициента его извлечения можно при получении исходного тетрахлорида германия использовать концентрированную соляную кислоту с изотопно-обогащенным хлором, но это значительно повысит стоимость конечного продукта.

Известен способ обогащения изотопов германия, в котором сначала осуществляют газовое центрифугирование тетрахлорида германия, а затем переводят тетрахлорид в другое летучее соединение, не обладающее другой изотопией, кроме германия (фторид), или с малым мешающим влиянием изотопии водорода (герман). (см. патент на изобретение РФ № 2270715 С1). Упомянутый способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является необходимость дополнительных операций по переводу тетрахлорида германия в другое летучее соединение (тетрафторид германия или герман) и по повторному обогащению полученного летучего соединения с целью повышения степени обогащения целевого изотопа до требуемой величины, что значительно повышает стоимость конечного продукта.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, являются повышение производительности разделительной установки по целевому изотопу и коэффициента извлечения целевого изотопа, упрощение схемы получения элементарного изотопно-обогащенного германия, повышение безопасности производства и снижение стоимости конечного продукта.

Эта задача решается за счет того, что в способе получения изотопов германия газовым центрифугированием летучего химического соединения германия, согласно изобретению, в качестве летучего соединения германия на газовое центрифугирование подают моногерман (GeH ₄) и извлекают это соединение, обогащенное по целевому изотопу германия до требуемой величины.

Обогащенный по целевому изотопу германия моногерман может быть направлен на выделение из него элементарного германия известными методами.

Водород практически моноизотопен (содержание изотопа Н в природном водороде составляет 99,985% ат), поэтому его наличие не мешает разделению изотопов германия. Для моногермана разработана и применяется более простая технология получения высокочистого элементарного германия - термическое разложение. Именно по этой технологии получен германий с самым низким содержанием примесей (см. Девятых Г.Г., Карпов Ю.А., Осипова Л.И. Выставка-коллекция веществ особой чистоты. - М.: Наука, 2003. 236 с.).

Процентное содержание германия в одном и том же количестве вещества в моногермане значительно выше, чем в тетрафториде и тетрахлориде германия: 95% против 49% и 34%, соответственно. Это при работе разделительной установки на моногермане обеспечивает ее более высокую производительность по целевому изотопу, чем при работе на тетрафториде или тетрахлориде германия.

Заявляемое техническое решение расширяет технологические возможности центрифужного метода разделения изотопов, обеспечивая возможность разделения изотопов германия с меньшими затратами и меньшими потерями целевого изотопа. Изобретение не требует сложных устройств и может быть реализовано на имеющемся оборудовании. Промышленная осуществимость предлагаемого технического решения вытекает из разработанности и практического осуществления разделения изотопов различных элементов (см. Изотопы: свойства, получение, применение. / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. 704 с.).

Настоящее техническое решение имеет в числе своих преимуществ то, что его практическое применение не нуждается в изменении производств, предшествующих предлагаемому способу разделения изотопов, и последующих методов изготовления полупроводниковых материалов.

С помощью заявляемого способа из моногермана с природным изотопным составом получена партия изотопно-модифицированного моногермана. Требовалось получить продукт с содержанием изотопа ⁷⁶Ge более 86% ат и содержанием изотопа ⁷⁰Ge менее 0,1% ат.

Пример

Разделение изотопов германия осуществляли на опытно-промышленной установке, представляющей собой разделительный каскад газовых центрифуг из К ступеней. Рабочее вещество моногерман. Питающий поток подавали в ступень K-N-каскада. Целевой изотоп ⁷⁶Ge с заданной концентрацией извлекали из потока тяжелой фракции. В таблице 2 приведен изотопный состав германия потока тяжелой фракции, содержащий целевой изотоп ⁷⁶Ge. Коэффициент извлечения целевого изотопа ⁷⁶Ge составил 99%.

Таблица 2
Изотопный состав германия в потоке тяжелой фракции разделительного каскада
Точка измерения	Содержание изотопов Ge, % ат
70	72	73	74	76
Поток тяжелой фракции	0,06	0,09	0,06	11,69	88,10

При получении продукта с аналогичным содержанием изотопов ⁷⁶Ge и ⁷⁰Ge в тетрафториде германия (по первому способу) коэффициент извлечения целевого изотопа ⁷⁶Ge ниже и составляет в среднем 95%. Это объясняется низкой активностью моногермана к конструкционным материалам разделительного оборудования и его практически инертностью к парам воды, поступающим в разделительный каскад вследствие его неабсолютной герметичности.