способ получения изотопов иттербия и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения изотопов иттербия, включающий нагревание металлического иттербия до температуры его испарения, ионизацию полученного атомного пара, разделение изотопов иттербия методом лазерного разделения изотопов с использованием составного пучка лазерного излучения трех длин волн и последующее извлечение целевого изотопа из плазмы, отличающийся тем, что осуществляют внеосевой ввод составного пучка лазерного излучения в зону пучка атомного пара, а воздействие лазерным излучением в зоне фотоионизации производят многократно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что составной пучок, содержащий излучение трех длин волн, с разной интенсивностью формируют с использованием трех лазеров на красителе и двух дихроичных зеркал, при этом пучки излучения второй ступени возбуждения и третьей ступени фотоионизации предварительно объединяют первым дихроичным зеркалом и усиливают в общем лазерном усилителе, а затем объединяют с пучком первой ступени возбуждения вторым дихроичным зеркалом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения редкого изотопа - ¹⁶⁸Yb в лазерной системе используют три лазера на красителе с длиной волны 1=555,79650±0,0002 нм - на первой ступени возбуждения, 2=581,23770±0,0002 нм - на второй ступени возбуждения, 3=582,79±0,05 нм - на третьей ступени фотоионизации.

4. Устройство для получения изотопа иттербия методом лазерного разделения изотопов, включающее лазерную систему, выполненную с возможностью формировать составной лазерный пучок излучения не менее чем с двумя длинами волн, и оптически соединенную с лазерной системой разделительную камеру, в которой размещены, по крайней мере, два модуля, каждый из которых содержит формирователь пучка пара атомов иттербия в виде испарителя с коллиматором, и электростатический экстрактор с двумя подключенными к высоковольтному источнику питания электродами, один из которых является анодом, а второй - катодом, при этом разделительная камера содержит средства для загрузки и выгрузки модулей, а также средства подключения к соответствующим источникам питания, к вакуумной системе и системе охлаждения, отличающееся тем, что оно содержит многопроходовую оптическую систему в виде двухзеркального резонатора, расположенную внутри разделительной камеры и выполненную с возможностью внеосевого ввода составного лазерного пучка, а электростатический экстрактор выполнен в виде корпуса с входной щелью, в котором размещены катод и съемный сборник ионов целевого изотопа, установленный на внутренней поверхности корпуса, при этом корпус выполнен из проводящего материала и является анодом, а конфигурацию электродов выбирают с возможностью расположения области между электродами вне зоны образования фотоплазмы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что экстрактор содержит защитный козырек, укрепленный на внешней поверхности корпуса вдоль кромки его входной щели.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит, по крайней мере, один дополнительный электрод, подключенный к катоду дополнительного источника постоянного тока и установленный в области входной щели корпуса экстрактора.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь пучка пара атомов иттербия содержит графитовый резистивный испаритель, включающий графитовую трубу с щелевой диафрагмой и горизонтальный коллиматор, пластины которого расположены вдоль щелевой диафрагмы графитовой трубы и образуют выходную щель формирователя пучка пара атомов, при этом щелевая диафрагма выполнена с прогреваемыми током перемычками, которые используют в качестве вертикального коллиматора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике лазерного разделения изотопов и может быть использовано для промышленного производства изотопов иттербия, в частности редкого изотопа иттербия-168 в целях его применения в радиационной медицине для лечения злокачественных образований.

В природе иттербий содержит семь изотопов, включая редкий изотоп иттербий-168 (¹⁶⁸Yb) с естественным содержанием 0,14%. Для использования этого изотопа, например, в качестве радионуклида ¹⁶⁹Yb, применяемого в радиационной медицине, необходимо получить изотопный (стартовый) материал с массовым содержанием ¹⁶⁸Yb не менее 20%.

Известны способы и устройства для получения высокообогащенного иттербия, использующие электромагнитный метод разделения изотопов (Scheibner K., Comaskey В., Shaw M. and Wilder J. LLNL Medical and Industrial Laser Isotope Separation: Large Volume, Low Cost Production Through Advanced Laser Technologies // UCRL - ID - 132 112. - Lawrence Livermore National Laboratory. - September 2, 1998. - P.1-20, Патент РФ № 2158170, МПК⁸ B01D 59/48, опубл. 2000 г.), в которых моноэнергичный пучок ионов с естественным содержанием изотопов иттербия пропускают между полюсами магнита, в результате чего пучок ионов расщепляется на несколько пучков согласно числу изотопов. Полученные пучки ионов отклоняются по окружностям с отличающимися радиусами кривизны к ловушкам, находящимся под отрицательным потенциалом относительно источника. В результате такого пространственного разделения пучка ионов ионы каждого изотопа накапливаются в соответствующих ловушках. Известные устройства отличаются высокой селективностью разделения, но имеют низкую производительность и значительные эксплуатационные расходы и, следовательно, высокую стоимость изотопного продукта, а потому не находят широкого применения.

Более производительными и технологичными являются способы получения редких изотопов путем лазерного разделения изотопов (ЛАРИЗ), использующие различие в длинах волн поглощения у разных изотопов одного и того же химического элемента и основанные на многоступенчатой селективной фотоионизации паров металлов для получения изотопно-обогащенной плазмы.

Наиболее близким к описываемому изобретению является способ получения изотопов (Патент США 3,772,519, НПК 250/284, МПК H01J 49/16, опубл. 1973 г.), включающий нагревание исходного вещества, ионизацию полученного атомного пара, разделение изотопов иттербия методом лазерного разделения изотопов с использованием составного пучка лазерного излучения трех длин волн и последующее извлечение целевого изотопа из плазмы.

Однако известный способ не обеспечивает участие большей части атомов целевого изотопа в процессе фотоионизации, поскольку фотоны лазерного излучения при одном его проходе взаимодействуют лишь с незначительной частью объема пучка атомов в зоне фотоионизации.

Наиболее близким из известных устройств к описываемому изобретению является устройство для получения редких изотопов методом лазерного разделения изотопов (Патент США 3,772,519, НПК 250/284, МПК H01J 49/16, опубл. 1973 г.), включающее лазерную систему, выполненную с возможностью формировать составной лазерный пучок излучения не менее чем с двумя длинами волн, и оптически соединенную с лазерной системой разделительную камеру, в которой размещены, по крайней мере, два модуля, каждый из которых содержит формирователь пучка пара атомов иттербия в виде испарителя с коллиматором, и электростатический экстрактор с двумя подключенными к высоковольтному источнику питания электродами, один из которых является анодом, а второй - катодом, при этом разделительная камера содержит средства для загрузки и выгрузки модулей, а также средства подключения к соответствующим источникам питания, к вакуумной системе и системе охлаждения.

Известное устройство обеспечивает необходимую селективность процесса разделения изотопов урана, однако использование этого устройства для производства редких изотопов, например изотопа иттербий-168, не позволяет получать достаточную эффективность наработки целевого изотопа, содержание которого в исходном продукте крайне мало.

Прежде всего, в формирователе пучка пара атомов известного устройства горизонтальный коллиматор ограничивает размеры атомного пучка в поперечном направлении, но не ограничивает пучок в продольном направлении, вдоль составного пучка. В этом случае доплеровская ширина линий переходов испаряемых атомов остается широкой, что ухудшает селективность фотоионизации атомов. При этом, в процессе формирования пучка атомов, плотный пар испаряемого материала сосредоточен в объеме между тиглем и горизонтальным коллиматором, внутренняя поверхность которого смачивается конденсатом в жидкой фазе. Часть конденсата стекает в тигель, но часть испаряется со стенок коллиматора, формируя поток атомов с широкой угловой диаграммой разлета. Это приводит к заметной доле потока атомов, выходящих из коллиматора под большими углами. Наличие таких атомов, не участвующих во взаимодействии с лазерным излучением, приводит к засорению неэкранированных пластин экстрактора нецелевыми изотопами с естественным содержанием. В результате обогащение целевого изотопа падает при наработке продукта.

В то же время, из-за разницы температур в испарителе и коллимационной системе испаряемые атомы сталкиваются с элементами конструкции коллимационной системы и осаждаются на более холодных поверхностях ее пластин, что приводит к зарастанию зазоров между пластинами и ограничивает длительность работы коллимационной системы. При этом использование металлических испарителей не исключает образование высокотемпературных и химически стойких соединений с иттербием. Поэтому значительные трудности представляет выбор материала испарителя и коллимационной системы, которые не допускают, например, образование интерметаллических соединений.

Кроме того, для сбора ионов в известном устройстве предполагают использовать конструкцию открытого электростатического экстрактора в виде двух пластин, одна из которых заземлена, а другая - коллекторная пластина находится под отрицательным потенциалом. При приложении электрического поля между пластинами ионы вытягиваются из пучка нейтральных атомов и собираются на поверхности коллекторной пластины.

Основной недостаток конструкции открытого экстрактора связан с осаждением на его поверхности атомов нецелевых изотопов, которые испытывают в пучке пара редкие догоняющие столкновения, и атомов, вылетающих из коллиматора формирователя атомного пучка под большими углами, что приводит к засорению экстрактора атомами нецелевого изотопа и, следовательно, к уменьшению массового содержания целевого изотопа в собираемом на поверхности коллектора изотопном материале. В случаях редких изотопов (таких как ¹⁶⁸ Yb), когда естественное содержание целевого изотопа крайне мало, засорение экстрактора практически не позволяет использовать экстракторы открытой конструкции.

При этом в условиях, когда используемое напряжение коллектора составляет единицы и десятки киловольт, ион, ускоряясь в промежутке плазма - коллектор до больших энергий, соударяется с поверхностью коллекторной пластины, тормозит в ее тонком слое и выбивает из него преимущественно атомы. Этот процесс приводит к распылению материала коллектора. Коэффициент распыления (число атомов на один ион) увеличивается с ростом напряжения, зависит от угла столкновения с поверхностью, температуры и химического состава материала и т.д. Одновременно распылению подвергаются и осажденные или внедренные атомы целевого изотопа. В результате эффективность накопления атомов целевого изотопа на поверхности открытого коллектора уменьшается, что снижает производительность установки, где используются такие экстракторы.

Таким образом, технический результат, получаемый от использования настоящего изобретения, состоит в повышении эффективности накопления ионов целевого изотопа за счет увеличения вероятности возбуждения и фотоионизации атомов целевого изотопа и повышения селективности разделения изотопов, а также в увеличении производительности установки и увеличении ресурса работы устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения изотопов иттербия, включающем нагревание металлического иттербия до температуры его испарения, ионизацию полученного атомного пара, разделение изотопов иттербия методом лазерного разделения изотопов путем последовательного трехступенчатого изотопически селективного возбуждения атомов и перевода их в автоионизационное состояние с использованием составного пучка лазерного излучения трех длин волн и последующее извлечение целевого изотопа из плазмы, осуществляют внеосевой ввод составного пучка лазерного излучения в зону пучка атомного пара, а воздействие лазерным излучением в зоне фотоионизации производят многократно.

При этом составной пучок, содержащий излучение трех длин волн, может быть с разной интенсивностью сформирован с использованием трех лазеров на красителе и двух дихроичных зеркал, при этом пучки излучения второй ступени возбуждения и третьей ступени фотоионизации предварительно объединяют первым дихроичным зеркалом и усиливают в общем лазерном усилителе, а затем объединяют с пучком первой ступени возбуждения вторым дихроичным зеркалом.

Предпочтительно для получения редкого изотопа - ¹⁶⁸Yb в лазерной системе использовать три лазера на красителе с длиной волны 1=555,79650±0.0002 нм - на первой ступени возбуждения, 2=581,23770±0.0002 нм - на второй ступени возбуждения, 3=582,79±0.05 нм - на третьей ступени фотоионизации.

Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для получения изотопа иттербия методом лазерного разделения изотопов, включающее лазерную систему, выполненную с возможностью формировать составной лазерный пучок излучения не менее чем с двумя длинами волн, и оптически соединенную с лазерной системой разделительную камеру, в которой расположены, по крайней мере, два модуля, каждый из которых содержит формирователь пучка пара атомов иттербия в виде испарителя с коллиматором, и электростатический экстрактор с двумя подключенными к высоковольтному источнику питания электродами, один из которых является анодом, а второй - катодом, при этом разделительная камера содержит средства для загрузки и выгрузки модулей, а также средства подключения к соответствующим источникам питания, к вакуумной системе и системе охлаждения, содержит многопроходовую оптическую систему в виде двухзеркального резонатора, расположенную внутри разделительной камеры в зоне прохождения пучка лазерного излучения и выполненную с возможностью внеосевого ввода составного лазерного пучка, а электростатический экстрактор выполнен в виде корпуса с входной щелью, в котором размещены катод и съемный сборник ионов целевого изотопа, установленный на внутренней поверхности корпуса, при этом корпус выполнен из проводящего материала и является анодом, а конфигурацию электродов выбирают с возможностью расположения области между электродами вне зоны образования фотоплазмы.

При этом экстрактор может содержать защитный козырек, укрепленный на внешней поверхности корпуса вдоль кромки входной щели.

Целесообразно в устройство ввести, по крайней мере, один дополнительный электрод, подключенный к катоду дополнительного источника постоянного тока и установленный в области входной щели корпуса.

Предпочтительно, чтобы формирователь пучка пара атомов иттербия содержал графитовый резистивный испаритель, включающий графитовую трубу с щелевой диафрагмой и горизонтальный коллиматор, пластины которого расположены вдоль щелевой диафрагмы графитовой трубы и образуют выходную щель формирователя пучка пара атомов, при этом щелевая диафрагма выполнена с прогреваемыми током перемычками, которые используют в качестве вертикального коллиматора.

Установлено, что вероятность возбуждения атомов и фотоионизации возбужденных атомов существенно увеличивается, если время жизни возбужденных состояний больше времени взаимодействия лазерного излучения и это выполняется для достаточно большого числа элементов, в том числе и для иттербия в условиях, когда фотоны многократно сталкиваются с атомами целевого изотопа.

Кроме того, обнаружено, что увеличение количества циклов прохода составного пучка лазерного излучения в резонаторной схеме заданной геометрии через пучок пара атомов исходного вещества позволяет полностью заполнить лазерным излучением, содержащим фотоны разных длин волн, пучок паров атомов в зоне фотоионизации и обеспечить его взаимодействие с большей частью атомов целевого изотопа.

Использование многопроходовой оптической системы на основе оптического резонатора с внеосевым вводом составного лазерного пучка, при соответствующем подборе параметров зеркал (радиусы кривизны, углы наклона и апертура зеркал), позволяет создать условия, при которых фотоны многократно сталкиваются с атомами целевого изотопа, а также полностью заполнить лазерным излучением объем пучка атомов в зоне фотоионизации. Эффективность такой многопроходовой системы (отношение тока экстрактора в многопроходовом режиме к току одного прохода) достигает 30-40.

Для атомов иттербия со временем жизни обоих возбужденных состояний порядка 1 мкс применение многопроходовой системы с большим числом проходов позволяет уменьшить размеры установки (длину и число разделительных модулей) и ослабить требование на мощность фотоионизирующего лазерного канала.

Использование щелевого электростатического экстрактора закрытого типа в устройстве согласно настоящему изобретению решает задачу предотвращения осаждения на поверхности сборника атомов нецелевых изотопов, которые испытывают в пучке пара редкие догоняющие столкновения, и атомов, вылетающих из коллиматора формирователя атомного пучка под большими углами, посредством установки защитного козырька перед входной щелью корпуса экстрактора на пути распространения атомов.

При этом геометрию корпуса экстрактора выбирают таким образом, что большая часть распыленного целевого изотопа осаждается внутри корпуса на съемный сборник ионов целевого изотопа и лишь небольшая часть порядка 10% вылетает через входную щель кожуха.

Экспериментальным путем получено, что распыляемые с катода (коллектора) осажденные или внедренные атомы целевого изотопа могут быть собраны путем размещения сборника в определенном месте внутри экстрактора, при этом атомы можно накапливать на его поверхности, реализуя фактически процесс перераспыления материала с катода на сборник ионов целевого изотопа.

Траектории собираемых ионов внутри экстрактора определяются распределением потенциала и зависят от формы и положения электродов, геометрии корпуса. В свою очередь траектории распыляемых атомов зависят от энергии иона, угла падения, профиля поверхности катода, его положения и т.д. Конструкция экстрактора для конкретных условий может быть разработана на основе численного моделирования с оптимизацией по максимуму числа собираемых ионов. При этом положение и площадь сборников, перехватывающая максимальное число распыленных атомов, подбирают экспериментально.

Сетчатый высоковольтный дополнительный электрод, установленный перед входной щелью корпуса экстрактора, позволяет повысить потенциал у границы плазмы, изменяя конфигурацию электрического поля, и тем самым способствует повышению количества извлекаемых из плазмы ионов.

При этом защиту экстрактора от попадания в него атомов с естественным содержанием изотопов (фоновая компонента) осуществляют посредством соответствующего выбора размера входной щели, ограничивающей угол сбора рассеянных в пучке атомов иттербия, и установкой у входной щели экстрактора козырька, препятствующего прямому попаданию атомов, вылетающих из коллиматора под большими углами. Эти меры позволяют увеличить отношение массы целевого изотопа к массе атомов «фона».

Выполнение перемычек в щели графитовой трубы формирователя пучка пара атомов позволяет обеспечить равномерный прогрев графитового испарителя. В результате в нем не образуется «холодных» зон, где возможна конденсация испаряемого материала, и зазоры в щели испарителя не зарастают. Кроме этого, образуемые с помощью перемычек щели в графитовой трубе с шириной, значительно (в 5-10 раз) превышающей толщину стенки трубы, способствуют начальной коллимации пучка пара. Описанная конструкция испарителя исключает также образование высокотемпературных и химически стойких соединений с иттербием, обладает достаточно высокой прочностью и позволяет использовать графитовый корпус испарителя многократно.

Изобретение поясняется чертежами, где представлены:

на фиг.1 - структурная схема устройства для получения изотопов иттербия;

на фиг.2 - схема многопроходовой оптической системы на основе резонатора с внеосевым вводом излучения, где на виде «Б» стрелками указаны геометрические границы атомного пучка в модулях разделительной камеры;

на фиг.3 - схема расположения основных элементов внутри одного из модулей;

на фиг.4 - внешний вид конструкции формирователя пучка атомов на основе графитового испарителя («А» - вид сверху, «Б» - сечение вдоль оси);

на фиг.5 - внешний вид конструкции электростатического экстрактора;

на фиг.6 - схема, поясняющая работу электростатического экстрактора;

на фиг.7 - оптическая схема лазерной системы на красителе.

Лазерная система 1 оптически связана с разделительной камерой 2 через входное окно 3. В разделительной камере 2 помещены разделительные модули 4, каждый из которых содержит формирователь 5 пучка пара атомов иттербия и электростатический экстрактор 6, подключенные к источникам питания соответственно 7 и 8. Камера 2 установлена на основании 9. Зеркала 10 сегментное вогнутое и 11 выпуклое двухзеркального резонатора многопроходовой оптической системы установлены в зоне прохождения пучка лазерного излучения в разделительной камере 2.

Лазерная система 1, излучение которой используют для возбуждения и фотоионизации атомов целевого изотопа путем перевода их в автоионизационное состояние, состоит, например, из трехканальной лазерной системы на парах меди и лазерной системы на красителе. Выбор значений длин волн в каналах обеспечивает селективную фотоионизацию целевого изотопа. Для целевого изотопа иттербий-168 соответствующие значения длин волн равны 1=555,79650±0.0002 нм, 2=581,23770±0.0002 нм, 3=582.79±0.05 нм.

Многопроходовая оптическая система представляет собой двухзеркальный резонатор с внеосевым вводом излучения составного пучка, одно зеркало 10 которого выполнено сегментным вогнутым и размещено в разделительной камере 2 в области его входного окна 3, а второе зеркало 11 выполнено выпуклым и установлено перед выходным окном 12. Указанные зеркала установлены в юстируемых оправах (на чертеже не показаны), закрепленных в стенках фланцев 13 разделительной камеры 2. Юстировку зеркал осуществляют через сильфоны без нарушения вакуума. Выбор параметров оптической системы (радиусы кривизны, углы наклона и апертура зеркал) при ее конструировании осуществляют путем численного моделирования исходя из условий заполнения лазерным излучением полностью объема пучка атомов в зоне фотоионизации.

В приведенном примере действующей промышленной установки для получения изотопа иттербия-168 используют зеркало 10 с радиусом кривизны 28 м и зеркало 11 с радиусом кривизны 31 м, при длине резонатора около 5 м.

Разделительная камера 2 представляет собой вакуумную камеру цилиндрической формы длиной порядка 5 м и диаметром около 1 м, внутри которой смонтированы четыре разделительных модуля 4. Торцы камеры выполнены в виде выдвижных фланцев 13, к которым жестко прикреплены загрузочные тележки 14. Каждый фланец 13 выполнен с возможностью отсоединяться от торцов вакуумной камеры 2 и выдвигаться вместе с загрузочной тележкой 14, перемещаясь сверху вдоль направляющей 15, закрепленной на несущей опоре (на чертеже не показана). Загрузочная тележка при этом может перемещаться на колесиках внутри камеры по направляющим монтажной рамы 16 (фиг.3). Загрузочных тележек 14 может быть две, на каждой из которых монтируют два разделительных модуля 4.

В каждый фланец 13 вмонтированы окна 3 и 12, выполненные из плавленого кварца, оправа для юстировки зеркал 10 и 11, высоковольтные вводы 17 электропитания экстракторов 6, вводы 18 электропитания формирователей 5 пучка пара атомов и средства (например, штуцера) для обеспечения работы системы водяного охлаждения 19. В разделительной камере 2 предусмотрены средства (например, патрубки) для подсоединения к насосам вакуумной системы 20. Установка содержит также контрольно-измерительные приборы для управления вакуумом, скоростью испарения иттербия, измерения тока экстрактора (на чертеже не показаны).

Формирователь 5 пучка пара атомов состоит из испарителя 21 и горизонтального коллиматора 22, монтируемых на загрузочной тележке 14. Испаритель 21 включает водоохлаждаемый кожух 23 с выходной щелью и помещенную в кожух 23 графитовую трубу 24, в которой установлен тигель 25, выполненный из диэлектрика. Графитовая труба содержит продольную выходную щель и окружена теплоизолирующими и электроизолирующими средствами в виде тепловых экранов 26 и электроизолирующей трубы 27 из высокотемпературной керамики.

Графитовая труба 24 испарителя 21 (фиг.4) снабжена графитовыми токовводами 28, подключенными к источнику питания 7, и укреплена в кожухе 23 с помощью торцевых керамических втулок 29. При этом выходная щель графитовой трубы 24 выполнена с перемычками 30, которые обеспечивают более равномерный прогрев графитовой трубы испарителя и одновременно служат пластинами вертикального коллиматора, ограничивая угол разлета атомов в направлении вдоль оси испарителя.

Для задержки атомов, вылетающих под большими углами, используют горизонтальный коллиматор 22, состоящий (в простейшем варианте конструкции) из двух охлаждаемых медных пластин.

Геометрию щелевого испарителя 21 и коллиматора 22, обеспечивающего достаточный расход пара атомов (порядка 15-25 г/ч) при низком уровне засорения экстрактора, выбирают экспериментально с учетом требуемой геометрии атомного пучка в зоне фотоионизации, размер которой определяют мощностью лазеров на красителе. Например, при суммарной мощности лазера на красителе порядка 10 Вт размер зоны фотоионизации составляет 1-3 см². Для обеспечения плотности пара порядка 1-2×10 ¹² см^-3 необходим расход пара порядка 15-25 г/ч на 1 м длины испарителя, при этом каналы испарителя имеют размеры 2×100 мм, глубиной 5 мм, а ширина перемычек составляет 5 мм. Конструкция такого испарителя с загрузкой иттербия до 3 кг обеспечивает хорошую равномерность потока пара по длине (не более 30% относительно потока пара по длине), обладает высокой надежностью и обеспечивает многократное использование.

Для поглощения атомов, оставшихся в пучке после экстракции, используют ловушку отвала 31 (фиг.3), установленную на платформе загрузочной тележки посредством опор 32. Для оценки потока плотности атомов используют кварцевый датчик 33, связанный с электронным измерителем скорости роста толщины пленки с помощью подвижного экрана, управляемого релейной схемой (на фиг.3 не показаны). Конструктивно ловушка 31 состоит из толстой изогнутой медной пластины, к которой перпендикулярно поверхности меди припаяны ленты из тонкой медной фольги. В такой гребенчатой конструкции с определенным соотношением между высотой фольги и шагом между фольгами вылетающие атомы иттербия, испытав одно или несколько отражений между поверхностями фольги, осаждаются в ловушке и не рассеиваются.

Щелевой электростатический экстрактор 6 закрытого типа (Фиг.5) содержит корпус 34 с размещенным в нем высоковольтным электродом-катодом 35, дополнительный электрод 36 (подтягивающий в виде сетки), защитный козырек 37 и сборник 38 ионов целевого изотопа, а также конструктивные элементы крепления электродов (например, в виде изогнутой планки 39 и опоры 40), элементы 41 и 42 подвода электропитания от источников питания 8 и 43, соответственно, катода 35 и дополнительного электрода 36. При этом корпус 34 подключен к источнику питания 8, является анодом и выполнен из проводящего материала в виде цилиндра с входной щелью 44, вдоль края которой укреплен защитный козырек 37 с возможностью препятствовать прямому попаданию атомов 50 (фиг.6), вылетающих из коллиматора 22 под большими углами. Дополнительный высоковольтный электрод 36 подключен к катоду дополнительного источника постоянного тока 43 и выполнен в виде сетки из медной проволоки диаметром 0.1 мм, которую натягивают у входной щели 44 корпуса экстрактора над козырьком 37 с помощью пружинки 45. Сборник 38 выполнен легкосъемным из медной фольги толщиной 0,025 мм, которую прижимают к внутренней поверхности корпуса с помощью распорных колец 46 (фиг.5).

Конструкция экстрактора разработана с помощью численного моделирования с оптимизацией параметров на полноту сбора ионов. В результате моделирования различных вариантов экстрактора в устройстве для получения изотопа - ¹⁶⁸Yb выбрана оптимальная конструкция, содержащая цилиндрический корпус длиной 100 см со щелью 10 мм, коллектор с полукруглым профилем и сетчатый электрод диаметром 100 мкм, установленный перед щелью. Действующая конструкция экстрактора, длина которого составляет порядка 1 м, а внутренний диаметр - 50 мм, позволяет извлекать из плазмы не менее 80% ионов.

Устройство для получения изотопов иттербия согласно изобретению работает следующим образом.

Металлический иттербий небольшими кусочками загружают в тигель 25 испарителя 21 и нагревают до температуры 800-900 К. Из твердотельной фазы получают атомный пар рабочего элемента. Этот пар содержит естественную смесь изотопов.

Проходящий через щелевую диафрагму формирователя 5 пучок пара атомов иттербия подвергают в зоне фотоионизации воздействию составного пучка лазерного излучения лазерной системы 1.

Известно, что для получения целевых изотопов иттербия оптимальной является схема трехступенчатой фотоионизации (Патент РФ 2119816, МПК B01D 59/00, опубл. 1998 г.). В процессе эксплуатации промышленных установок для получения изотопа-168 при проведении анализа возможных переходов между уровнями атома иттербия установлено, что более высокая степень селективности фотоионизации достигается с уточненными значениями длин волн. Поэтому в лазерной системе устройства иттербия-168 используют три лазера на красителе с длиной волны: на первой ступени возбуждения 1=555,79650±0.0002 нм, на второй ступени возбуждения 2=581,23770±0.0002 нм, на третьей ступени фотоионизации 3=582.79±0.05 нм.

Именно указанные значения длин волн позволяют получать изотопный материал с заданным обогащением.

Применение в лазерной системе двух узкополосных каналов, излучение которых используется для возбуждающих переходов, также позволяет повысить селективность фотоионизации иттебия-168.

Лазерная система 1 (фиг.7) в приведенном варианте устройства для получения изотопов иттербия состоит из лазерной системы на красителе и трехканальной лазерной системы на парах меди 51, излучение которой используют для оптической накачки. Лазерная система на красителе включает в себя три канала. Первый и второй каналы содержат задающие генераторы 52 и 53, генерирующие излучение на длинах волн 1 и 2 соответственно, и каскады предварительного усиления 54 и 55 для усиления мощности излучения до требуемого уровня. Излучение этих каналов обладает узким спектром (с шириной примерно 500 МГц) и используется для двухступенчатого перевода атомов целевого изотопа иттербия в возбужденное состояние. Третий канал содержит задающий генератор 56, усилитель предварительного усиления 57 и усилители мощности 58 и 59. Задающий генератор 56 этого канала генерирует излучение на длине волны 3 с широким спектром излучения около 14 ГГц. Усиленное излучение третьего канала используют для фотоионизации возбужденных атомов целевого изотопа путем перевода его в автоионизационное состояние. Выбор указанных значений длин волн в каналах обеспечивает селективную фотоионизацию целевого изотопа.

Для получения составного пучка, содержащего излучение всех трех длин волн в схеме лазерной системы, используют два дихроичных зеркала 60 и 61. С помощью зеркала 60, а также вспомогательных зеркал и телескопов 62 и 63 пучок второго канала объединяют с пучком третьего канала и излучение на длине волны 2 усиливают по мощности в усилителе 59. При этом излучение на длине волны 3 усиливается усилителями 54 и 55. Затем с помощью дихроичного зеркала 61 сформированный пучок с излучением 2+ 3 объединяют с пучком излучения первого канала, работающего на длине волны 1. Телескопы 62, 63, 64 и линза 65 служат для согласования пространственно-угловых характеристик объединяемых пучков. Поляризатор 66 применяют для развязки усилительных каскадов 58 и 59 от усиленной суперлюминисценции. Зеркала 60 и 61 служат для распределения мощности накачки и лазерного излучения, получения требуемых оптических задержек в процессе усиления и транспортировки излучения. Сформированный описанным способом составной пучок вводят в разделительную камеру. Кроме элементов, показанных на фиг.7, лазерная система на красителе включает в себя все средства для обеспечения ее работоспособности, включая средства контроля длин волн, средства стабилизации длин волн излучения, средства мониторинга мощности излучения, блоки прокачки раствора красителя, систему охлаждения и т.д. Система лазеров на парах меди также представляет собой сложную многоэлементную установку.

Предпочтительно применять в лазерных каналах системы двухимпульсную накачку задающих генераторов, что позволяет увеличить эффективность использования мощности накачки, а в узкополосных каналах уменьшить ширину спектра лазерного излучения.

Составной пучок 47 (диаметром около 5-7 мм) лазерного излучения, содержащий фотоны трех длин волн 1, 2 и 3, вводят в разделительную камеру 2 через входное окно 3 под срезом сегментного зеркала 10 вдоль модулей 4 таким образом, чтобы пучок проходил вдоль осей всех четырех коллиматоров 22 формирователей 5 пучка атомного пара на высоте порядка 2-3 мм от поверхности коллиматора и попадал на второе зеркало 11 оптического резонатора. После отражения от зеркала 11 составной пучок, с помощью юстировки зеркала 3, направляют обратно на зеркало 10. Юстировку зеркал 10 и 11 осуществляют таким образом, чтобы на зеркале положение пучка каждого последующего прохода получить над положением предыдущего прохода и по возможности ближе к нему. Тщательно регулируя углы наклона зеркал, осуществляют множество проходов составного пучка вдоль камеры. Получаемая при правильной юстировке зеркал картина распределения пятен в плоскости одного из зеркал показана на чертеже фиг.2, Б.

Таким образом, в описанной резонаторной схеме составной пучок, многократно переотражаясь между зеркалами, доходит до верхней границы и возвращается назад. При этом каждый атом облучается не менее двух раз (а в области у верхней границы, где пучки перенакладываются, более двух раз), что существенно увеличивает вероятность фотоионизации атома.

Кроме того, размеры пучка от прохода к проходу меняются до состояния, когда область облучения заполняет полностью геометрические размеры атомного пучка 48. Это достигается путем выбора радиусов кривизны зеркал, угла ввода излучения и угловой расходимости составного пучка.

Полученные в результате фотоионизации ионы ¹⁶⁸Yb собирают электростатическими экстракторами 6 и накапливают в виде пленки металлического иттербия.

Ионы целевого изотопа возникают в области облучения размером 3 см² × 100 см для каждого модуля. Извлекаемые из плазмы ионы под действием электрического поля со стороны щели экстрактора ускоряются и движутся по траекториям 49 (фиг.6) к катоду 35, на который подают отрицательное напряжение до 20 кВ. Как показали расчеты, наличие тонкого сетчатого дополнительного высоковольтного электрода 36, на который подают напряжение до 3 кВ, повышает потенциал у границы плазмы и способствует повышению количества извлекаемых из плазмы ионов за счет изменения конфигурации электрического поля. При этом ионы практически не взаимодействуют с сеткой. Потери на дополнительном электроде 36 не превышают нескольких процентов. Конфигурация создаваемого электрического поля такова, что большая часть ионов попадает на нижнюю поверхность катода 35 (коллектора). Точную установку напряжений на высоковольтных электродах 35 и 36 осуществляют при наработке по максимуму катодного тока экстрактора 6.

Экспериментально установлено, что включение сеточного напряжения позволяет увеличить ток катода более чем на 30%.

Ускоренный до энергии порядка 15 кэВ ион подлетает к катоду 35, захватывает с его поверхности электрон, нейтрализуется и внедряется в материал катода. В результате с поверхности вылетают атомы (и кластеры) материала. Их число и угловая диаграмма направленности зависят в основном от угла падения иона и его энергии, а также от материала катода. Сам ион внедряется в приповерхностный слой на глубину пробега. Следующий ион, сталкиваясь с катодом, повторяет описанный процесс распыления, но при этом среди распыляемых атомов может оказаться и предыдущий ион. Таким образом, при непрерывном процессе экстракции происходит процесс перераспыления приповерхностных атомов катода на поверхность сборника 38. В процессе наработки на фольге сборника 38, в основном, снизу и сверху от катода, образуются две полосы пленки распыленного материала, содержащего атомы иттербия и атомы меди - материала катода, толщина которых увеличивается со временем наработки.

Расчеты показали, что с такой конструкцией экстрактора можно собирать до 90% ионов из плазмы, при этом через щель теряются не более 10% атомов. Таким образом, теоретическая эффективность экстракции ионов составляет примерно 80%.

Окончание процесса определяют по полному испарению материала, после чего разделительную камеру вскрывают и сборники 38 снимают для смыва изотопного продукта. Извлечение обогащенного материала осуществляется хорошо разработанными химическими методами, например методом растворения в кислоте с последующим преобразованием в оксид иттербия.

В устройстве в соответствии с изобретением используемые экстракторы позволяют устойчиво получать иттербий-168 с содержанием 20-30%.

Поглощение атомов, оставшихся в пучке после экстракции, осуществляют при помощи ловушки отвала 31. Так как содержание иттербия-168 крайне мало (0.14%), то по существу ловушка улавливает почти всю испаряемую массу иттербия (2-3 кг) за наработку. Данные измерений, получаемые с помощью датчика 33 при его кратковременном подключении, позволяют подбирать скорость испарения иттербия (расход пара) путем регулирования тока испарителя.

Использование устройства для получения изотопов иттербия демонстрирует высокую эффективность сбора ионов (до 90%) и высокую эффективность накопления целевого изотопа в ловушках (до 60%). Выбранная конструкция экстрактора (наличие защитного козырька, ограничение телесного угла сбора) позволяет существенно уменьшить коэффициент засорения экстрактора kз (число атомов иттербия на ион целевого изотопа). Используемая на реальной установке конструкция экстрактора с длиной модуля 100 см обеспечивает производительность наработки ¹⁶⁸Yb около 2 мг/ч в расчете на 1 м экстрактора, что при коэффициенте засорения экстрактора от 1 до 1.5 позволяет нарабатывать изотопный продукт с массовым содержанием ¹⁶⁸ Yb более 25%.