ЖЭТФ, 2019, том 155, вып. 2, стр. 216-227

ИНДУЦИРОВАННАЯ ИК-ЛАЗЕРОМ

ИЗОТОПНО-СЕЛЕКТИВНАЯ ДИССОЦИАЦИЯ

МОЛЕКУЛЯРНЫХ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫХ

КЛАСТЕРОВ (SF₆)_mAr_n

В. Н. Лохман^a, Г. Н. Макаровa*, А. Н. Петин^a,b, Д. Г. Пойдашев^a, Е. А. Рябов^a

^a Институт спектроскопии Российской академии наук

108840, Троицк, Москва, Россия

^b Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

108840, Троицк, Москва, Россия

Поступила в редакцию 25 июля 2018 г.,

после переработки 5 сентября 2018 г.

Принята к публикации 11 сентября 2018 г.

Представлены результаты исследований изотопно-селективной диссоциации однородных и смешанных

ван-дер-ваальсовых кластеров (SF6)mArn лазерным ИК-излучением. Метод основан на селективном ко-

лебательном возбуждении кластеров ИК-лазером, что приводит к их нагреву и диссоциации. Описыва-

ются экспериментальная установка и метод исследования. Приведены результаты измерений эффектив-

ности и селективности диссоциации кластеров при различных давлениях и составах газа над соплом,

а также при различных параметрах возбуждающего лазерного излучения. Получены зависимости эф-

фективности и селективности диссоциации кластеров от частоты и мощности возбуждающего лазерного

излучения, от состава и давления газа над соплом, а также от расстояния зоны облучения частиц от «сре-

за» сопла. Показано, что частота лазерного излучения, состав и давление газа над соплом существенно

влияют на параметры селективной ИК-диссоциации кластеров. Выполнены эксперименты по изотопно-

селективной диссоциации как однородных кластеров (SF6)m, так и смешанных кластеров (SF6)mArn.

Установлено, что при диссоциации кластеров (SF6)mArn можно реализовать довольно высокие зна-

чения селективности. Так, в случае использования смеси SF6/Ar при соотношении давлений 1/200 для

селективности диссоциации кластеров (³²SF6)2 по отношению к кластерам³⁴SF⁶²SF6 получены значения

α(32,32S/32,34S) ≥

10-20 в условиях облучения струи на линии 10P (32) лазера (на частоте 932.96 см-1).

Найдены условия, при которых реализуются оптимальные значения эффективности и селективности

диссоциации однородных кластеров (SF6)m и смешанных кластеров (SF6)mArn.

DOI: 10.1134/S0044451019020032

функционировало производство по разделению изо-

топов углерода в результате селективной ИК МФД

1. ВВЕДЕНИЕ

молекул CF₂HCl (фреона-22) [6-8]. Развитие это-

Значительное число исследований по изотопно-

го хорошо изученного [3-5] и успешно применяемо-

селективному взаимодействию лазерного излучения

го на практике [6-8] метода селективной ИК МФД

с атомами и молекулами было направлено на по-

молекул для разделения изотопов урана в значи-

иск эффективных и экономичных методов лазерно-

тельной мере сдерживается из-за сравнительно вы-

го разделения изотопов урана и ряда других эле-

сокой энергоемкости процесса, отсутствия высоко-

ментов [1, 2]. Наиболее продвинутым в этом плане

эффективных и мощных лазерных систем и ряда

оказался метод изотопно-селективной инфракрас-

других факторов. Так, для диссоциации молекулы

ной (ИК) многофотонной диссоциации (МФД) мо-

UF₆ необходимо поглощение примерно 40-45 кван-

лекул [3-5]. На его основе в России (в Калинингра-

тов ИК-излучения с длиной волны 16 мкм, т.е. по-

де) в недавнем прошлом было открыто и успешно

глощение энергии около 3.1-3.5 эВ в расчете на одну

молекулу.

^* E-mail: gmakarov@isan.troitsk.ru

216

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

Индуцированная ИК-лазером изотопно-селективная диссоциация. ..

В последнее время проводятся исследования, на-

по слабой связи.

правленные на разработку низкоэнергетических ме-

В исследованиях по спектроскопии небольших

тодов лазерного разделения изотопов (НЭМЛРИ)

молекулярных ван-дер-ваальсовых комплексов [25-

[1, 2, 9-17]. Предложены и изучаются также альтер-

28] показано, что в ряде случаев спектры погло-

нативные им методы [18,19]. Эти исследования так-

щения димеров и небольших кластеров (однород-

же нацелены на поиск эффективных и экономичных

ных или смешанных) могут быть значительно уже

методов разделения изотопов урана и других эле-

спектров поглощения некластеризованных молекул

ментов. В случае НЭМЛРИ энергия активации не

и представлять собой довольно узкие полосы, лока-

должна превышать 0.3-0.5 эВ. Такие энергии акти-

лизованные вблизи колебательных частот молекул-

вации характерны для физико-химических процес-

мономеров, входящих в состав кластеров. Это да-

сов адсорбции и десорбции молекул на поверхности,

ет возможность селективно возбуждать и диссоци-

в том числе на поверхности больших кластеров, а

ировать кластеры (чаще всего — димеры), содержа-

также для процессов диссоциации и фрагментации

щие выбранные изотопомеры, и тем самым прово-

слабосвязанных ван-дер-ваальсовых молекул [1]. В

дить разделение изотопов. В этом методе при дис-

настоящее время в США разрабатывается техноло-

социации кластеров за счет процессов отдачи про-

гия разделения изотопов урана SILEX (Separation

исходит «вылет» фрагментов (мономеров) из пуч-

of Isotopes by Laser Excitation) [20-23]. Принципы

ка. Таким образом, в лабораторной системе коор-

этой технологии не раскрываются, однако с боль-

динат целевые молекулы (продукты диссоциации)

шой вероятностью можно полагать, что в ее основе

распространяются внутри сравнительно большого

лежат низкоэнергетические процессы [24]. Техноло-

телесного угла, определяемого массой и скоростью

гия SILEX, по утверждениям разработчиков, при-

молекул, а нецелевые молекулы остаются в приосе-

менима также для разделения изотопов других эле-

вой части кластерного пучка. При детектировании

ментов (кремния, бора, серы, углерода, кислорода и

молекулярного/кластерного пучка с помощью масс-

др.) [1, 20, 22].

спектрометра или пироэлектрического детектора в

Одним из подходов для реализации НЭМЛРИ

экспериментах наблюдается обеднение пучка воз-

является метод колебательной ИК-предиссоциации

буждаемыми (целевыми) молекулами [1].

небольших однородных или смешанных молеку-

Этот метод еще на раннем этапе разработки ла-

лярных кластеров (ван-дер-ваальсовых молекул), в

зерных методов разделения изотопов был запатен-

частности, димеров [1]. Ван-дер-ваальсовы молеку-

тован [29] лауреатом Нобелевской премии Юанем

лы характеризуются тем, что в них одна из внут-

Ли (Y. T. Lee) как новый способ разделения изо-

римолекулярных связей значительно слабее других.

топов различных элементов. В работе [30] исследо-

Разница в энергиях связей столь велика, что энер-

валась изотопно-селективная ИК-фотодиссоциация

гии колебательных квантов, обусловленных химиче-

ван-дер-ваальсовых молекул Ar-BCl₃ в пучке с ис-

скими связями молекул-мономеров, содержащихся в

пользованием перестраиваемого по частоте непре-

ван-дер-ваальсовых молекулах, больше энергии дис-

рывного CO₂-лазера. Кластеры Ar-BCl₃ формиро-

социации по слабой ван-дер-ваальсовой связи. В ре-

вались при сверхзвуковом расширении смеси газов

зультате такая молекула становится метастабильной

Ar и BCl₃ в присутствии большого количества гелия

при колебательном возбуждении какого-либо моно-

через непрерывное сопло диаметром 50 мкм. Чтобы

мера, и она испытывает колебательную предиссоци-

избежать формирования большого количества ди-

ацию.

меров (BCl₃)₂ или кластеров большего размера, кон-

Это свойство ван-дер-ваальсовых молекул пред-

центрация молекул BCl₃ в газе над соплом составля-

ставляет большой интерес в контексте разработки

ла не более 1 %. Были измерены изменения в интен-

НЭМЛРИ [1]. Так, например, энергия связи (дис-

сивностях ионных пиков, вызванные диссоциацией

социации) E_b ван-дер-ваальсовых молекул, состоя-

ван-дер-ваальсовых молекул Ar-BCl₃, в зависимос-

щих из многоатомных молекул, лежит в диапазоне

ти от мощности и длины волны лазера. Обсуждены

0.1 эВ ≤ E_b ≤

0.5 эВ, а энергия диссоциации ван-

возможности применения рассматриваемого метода

дер-ваальсовых молекул, состоящих из многоатом-

для разделения изотопов на практике.

ной молекулы и атома благородного газа, составля-

Колебательная ИК-предиссоциация ван-дер-ва-

ет E_b ≤ 0.1 эВ [25-28]. Таким образом, поглощение

альсовых молекул с точки зрения применимости ее

молекулой одного или нескольких квантов ИК-из-

для разделения изотопов исследовалась в работах

лучения c длиной волны около 10 мкм, например

[31-34] на примере комплексов (SF₆)_mAr_n (где 1 ≤

излучения CO₂-лазера, приводит к ее диссоциации

≤ m ≤ 3, 1 ≤ n ≤

9). Указанные комплексы

217

В. Н. Лохман, Г. Н. Макаров, А. Н. Петин и др.

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

формировались в свободной струе при расширении

мической струе молекул на выходе из сопла. Изу-

смеси молекул SF₆ с аргоном (при содержании SF₆

чены характеристики процесса управления класте-

в смеси 0.5 %) через сопло диаметром 0.1 мм. Про-

ризацией молекул и показана возможность приме-

демонстрирована изотопическая селективность про-

нения указанного метода для разделения изотопов

цесса диссоциации кластеров. При облучении есте-

[2, 15-17].

ственной смеси изотопомеров SF₆, разбавленных ар-

В настоящей работе, в отличие от указанных

гоном, непрерывным CO₂-лазером мощностью 20 Вт

выше работ [2, 15-17], в которых исследовалось

были получены [31, 34] коэффициенты обогащения

селективное подавление кластеризации молекул

K_enr и селективности α поⁱSF₆ (i

32, 34):

CF₃Br [2, 16, 17] либо неселективное подавление

K_enr ≈ 1.3 и α(32/34) ≈ 1.2 [31,34]. Изучены зависи-

кластеризации молекул CF₃I

[15], нами изучен

мости коэффициентов обогащения от частоты воз-

процесс изотопно-селективной диссоциации неболь-

буждающего лазерного излучения. Показано, что за

ших однородных и смешанных ван-дер-ваальсовых

счет подбора длины волны возбуждающего лазерно-

молекулярных кластеров (SF₆)_mAr_n излучением

го излучения можно получить как обогащение, так

CO₂-лазера. Интерес к молекуле SF₆ обусловлен

и обеднение пучка выбранным изотопомером.

прежде всего тем, что по своей структуре и спек-

Следует отметить, что для эффективного разде-

троскопическим свойствам она является аналогом

ления изотопов методом колебательной ИК-предис-

молекулы UF₆. Молекула SF₆ хорошо изучена как

социации ван-дер-ваальсовых кластеров необходимо

в плане спектроскопии [36-39], так и в плане ее воз-

создавать условия, при которых доля кластеров в

буждения и диссоциации лазерным ИК-излучением

пучке была бы сравнительно велика. В принципе

[3-5, 18, 19]. Кроме того, выполнены исследова-

это можно реализовать, поддерживая высокое дав-

ния ИК-поглощения небольших кластеров (SF₆)_m

ление P₀ и низкую температуру T₀ газа над соплом.

(m ≤ 6) вблизи полосы поглощения возбуждаемого

Однако чем больше доля кластеров в пучке, тем

лазером колебания ν₃ (948 см-1) молекулы [40-42].

шире распределение кластеров по размерам (в дан-

Получены также спектры ИК-поглощения низко-

ном случае кластеров (SF₆)_mAr_n). Все эти кластеры

го разрешения (по ИК-диссоциации) небольших

имеют разные спектры ИК-поглощения [25, 26, 31],

смешанных комплексов (SF₆)_mAr_n [32].

что приводит к очень сложной зависимости изотоп-

Основной целью работы являются: подробное ис-

ного обогащения от длины волны лазерного излуче-

следование процесса изотопно-селективной диссоци-

ния, поскольку на каждой выбранной длине волны

ации небольших однородных и смешанных моле-

могут диссоциировать кластеры (ⁱSF₆)_mAr_n разного

кулярных кластеров (SF₆)_mAr_n в пучке, формиру-

размера, внося свой вклад в обогащение и/или обед-

ющемся при газодинамическом расширении смеси

нение определенного изотопомера. Поэтому исполь-

SF₆/Ar, излучением непрерывного CO₂-лазера; из-

зование этого метода изначально предполагает про-

мерение зависимостей эффективности и селективно-

ведение исследований с небольшими кластерами.

сти диссоциации кластеров от параметров газа над

В работе [35] была показана возможность дис-

соплом и параметров лазерного излучения; нахож-

социации кластеров UF₆ ИК-излучением. Указан-

дение оптимальных условий, при которых достига-

ные эксперименты [35] проводились применительно

ются максимальные значения эффективности и се-

к «очистке» молекулярного пучка от кластеров при

лективности диссоциации кластеров.

реализации метода молекулярного лазерного раз-

деления изотопов на основе ИК МФД молекул в

газодинамически охлажденном молекулярном пото-

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И

ке. Возможность применения метода колебательной

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

ИК-предиссоциации ван-дер-ваальсовых кластеров

для разделения изотопов урана была рассмотрена в

2.1. Экспериментальная установка

работе [11].

В недавних работах [2, 15-17] применительно к

Установка подробно описана в работе [16]. Она

разделению изотопов исследовалось управление с

включает высоковакуумную камеру с импульсным

помощью ИК-лазера процессом кластеризации мо-

источником молекулярно-кластерного пучка, квад-

лекул CF₃I [15] и CF₃Br [2, 16, 17] между собой

рупольный масс-спектрометр (КМС), изготовлен-

[2, 15, 16], а также молекул CF₃Br с атомами га-

ный и усовершенствованный в компании «Шиббо-

за-носителя аргона [17] за счет резонансного коле-

лет» (Рязань). Верхний предел диапазона регистри-

бательного возбуждения охлажденных в газодина-

руемых массовых чисел КМС составлял m/z

218

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

Индуцированная ИК-лазером изотопно-селективная диссоциация. ..

Граница

из NaCl (рис. 1). Диаметр пятна ИК-излучения

«замораживания»

в фокусе линзы составлял около 0.5 мм. Лазер-

ИК

Скиммер

Квадрупольный

ный пучок пересекал молекулярно-кластерный

Импульсное

Кластерный

масс-спектрометр

сопло

пучок под углом 90^◦. Он мог перемещаться вдоль

пучок

оси молекулярно-кластерного пучка с помощью

Область 4

подвижного столика. Для изменения мощности

Области

лазера использовались ослабители излучения.

Максимальная мощность вводимого в камеру из-

Рис. 1. Формирование кластерного пучка в условиях им-

лучения лазера составляла около 10 Вт. Контроль

пульсной струи (подробнее см. текст)

настройки CO₂-лазера на определенные линии

генерации осуществлялся с помощью оптико-

акустического приемника, наполненного аммиаком.

= 300 а.е.м. В качестве регистратора ионов в нем ис-

Линии ИК-поглощения аммиака служили реперами

пользовался вторичный электронный умножитель

при настройке частоты CO₂-лазера.

ВЭУ-6. Камеры источника молекулярного пучка и

2.2. Метод

КМС откачивались соответственно до давления не

более 10-5 Торр и примерно 10-7 Торр турбомолеку-

На рис. 1 схематически показаны процесс форми-

лярными насосами. Управление КМС проводилось с

рования кластерного пучка при газодинамическом

помощью персонального компьютера. Для возбуж-

расширении смеси газов на выходе из сопла, а так-

дения молекул и кластеров в струе использовался

же области, в которых облучение частиц ИК-лазе-

перестраиваемый по частоте излучения CO₂-лазер

ром приводит к определенному эффекту (см. ниже).

непрерывного действия. В установку входят также

При газодинамическом расширении газа на вы-

система синхронизации импульсов и система сбора

ходе из сопла можно выделить [2, 15, 16] несколько

и обработки данных.

стадий, протекающих в разных областях струи (см.

Молекулярно-кластерный пучок SF₆ генериро-

рис. 1):

вался в камере источника путем газодинамическо-

1 — область быстрого охлаждения поступатель-

го охлаждения смеси газа исследуемых молекул с

ных и внутренних степеней свободы молекул с пере-

газом-носителем аргоном в результате сверхзвуко-

ходом энергии в кинетическую энергию направлен-

вого расширения через модифицированное (см. ра-

ного движения потока, а среды — в пересыщенное

боту [15]) импульсное сопло типа «General Valve» с

состояние, что приводит к образованию зародыше-

диаметром выходного отверстия d = 0.16 мм или

вых кластеров;

d = 0.25 мм. Частота повторения импульсов сопла

2 — столкновительная область, в которой про-

составляла 1 Гц. Длительность импульса открыва-

должается процесс газодинамического охлаждения

ния сопла в зависимости от давления и состава га-

молекул, с одной стороны, и рост кластеров в струе

за над соплом была от 0.3 до 1.6 мс (на полувысо-

с неким нагревом системы за счет энергии конден-

те). Давление газа над соплом изменялось в диа-

сации, с другой стороны;

пазоне P0 = 130-300 кПа. С помощью скиммера

3 — область после границы «замораживания»,

(типа «Beam Dynamics», Model 1, диаметр отвер-

где происходит переход к бесстолкновительному

стия 0.49 мм), расположенного на расстоянии 50 мм

движению частиц и стабилизации кластерной систе-

от сопла, из центральной части сверхзвукового по-

мы;

тока, создаваемого этим соплом, вырезался моле-

4 — область между скиммером и КМС, где имеет

кулярный/кластерный пучок. Сформированный та-

место свободный пролет частиц пучка.

ким способом пучок, попадал в ионизационную ка-

Чтобы исследовать влияние резонансного воз-

меру КМС. Расстояние от среза сопла до ионизаци-

буждения молекул струи ИК-лазером на формиро-

онной камеры КМС составляло 570 мм.

вание кластерного пучка на различных этапах кла-

Непрерывный CO₂-лазер, используемый для

стеризации, необходимо облучать частицы в соот-

диссоциации кластеров, имел полуконфокальный

ветствующих областях струи на траектории пото-

резонатор. Мощность излучения ИК-лазера со-

ка, формирующего кластерный пучок, и регистри-

ставляла 13-15 Вт. С помощью медных зеркал

ровать изменения параметров пучка в зоне детекти-

и фокусирующей сферической линзы из NaCl с

рования. Уменьшение сигнала кластерной составля-

фокусным расстоянием f = 110 мм оно вводилось в

ющей может происходить по нескольким причинам

камеру молекулярно-кластерного пучка через окно

[2, 15, 16].

219

В. Н. Лохман, Г. Н. Макаров, А. Н. Петин и др.

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

Ионный ток, отн. ед.

В области 1 за счет ИК-возбуждения молекул

можно реализовать локальное увеличение темпе-

100

ратуры струи, что будет препятствовать образова-

нию зародышей. Это в идеале может предотвратить

дальнейшую кластеризацию молекул. В условиях

сильного разбавления молекул инертным газом, ко-

гда вероятность столкновений молекул между собой

мала, можно реализовать селективное подавление

кластеризации возбуждаемых молекул.

При облучении частиц лазерным ИК-излучением

в области 2 будет иметь место колебательный на-

грев молекул, а также кластеров, образовавшихся

в струе к этому моменту. При этом возможна ча-

120

150

180

210

240

270

300

стичная фрагментация кластеров. Нагрев частиц

m/z, а.е.м.

происходит на фоне конкурирующего газодинами-

Рис. 2. Фрагмент масс-спектра продуктов ионизации кла-

ческого их охлаждения (особенно при наличии газа-

стерного пучка в диапазоне масс 70 ≤ m/z ≤ 300 а.е.м.

носителя), а также некоторого дальнейшего изме-

Использовалась смесь SF6/Ar при соотношении давлений

нения кластерного состава струи (роста кластеров,

1/200, суммарное давление газа над соплом P0 = 240 кПа

эволюции их распределения по размерам).

При облучении частиц в области 3, где нет столк-

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ

новений, действие ИК-излучения в основном сводит-

ОБСУЖДЕНИЕ

ся к нагреву кластеров и их фрагментации, что от-

ражается в соответствующем уменьшении сигнала

3.1. Выбор условий для измерений и

кластерной составляющей пучка.

методические результаты

Таким образом, возбуждение частиц струи ре-

зонансным лазерным ИК-излучением в рассмотрен-

Как отмечено выше, для достижения макси-

ных выше областях 1-3 может приводить, в зависи-

мальной селективности диссоциации кластеров же-

мости от конкретного места облучения струи, как к

лательно работать с кластерами малого размера

подавлению кластеризации молекул, так и к диссо-

(включая кластеры смешанного типа). Это приво-

циации сформировавшихся кластеров [2, 15, 16].

дит к необходимости сильного разбавления исследу-

Методика измерения селективности диссоциа-

емых молекул в газе-носителе, а также выбора опти-

ции кластеров заключается в следующем. Селектив-

мального давления газа над соплом и места облуче-

ность α определялась на основе измерений ионных

ния газового потока. В последнем случае имеется в

сигналов кластерных осколков SF₆SF⁺⁵, SF₅Ar⁺ от

виду облучение потока на ранних стадиях формиро-

однородных и смешанных кластеров в пучке. В экс-

вания кластеров. Сильное разбавление молекул ато-

периментах измерялся долевой вклад q = (q₁, q₂, q₃)

марными газами ведет к формированию смешанных

в регистрируемый ионный сигнал каждого из трех

кластеров, что, в свою очередь, приводит к допол-

изотопов серы (³²S,

³³S и 34S) относительно его

нительному уширению спектров ИК-поглощения и

начального естественного содержания. Измеренные

диссоциации кластеров [32, 41]. Чтобы выбрать оп-

масс-пики подгонялись гауссовой функцией, после

тимальные условия для измерений, нами был про-

этого определялись значения q. Значения селектив-

веден анализ спектров ИК-поглощения кластеров

ности при возбуждении i-го изотопомера молекул

[32, 40-42] и выполнен ряд предварительных экспе-

SF₆ по отношению к j-му изотопомеру определялись

риментов.

как α(i/j)

= (1 -^j q)/(1 -ⁱq). При таком опре-

Характерный масс-спектр, наблюдаемый в слу-

делении селективности предполагается, что образо-

чае использования смеси SF₆/Ar при соотношении

вание различных изотопных модификаций класте-

давлений 1/200, приведен на рис. 2. Как показано в

ров, в частности димеров, происходит статистичес-

работе [43], при использовании такой смеси в пуч-

ки. Отметим, что в данной работе в процессе селек-

ке формируются кластеры аргона, а также смешан-

тивной диссоциации кластеров, ввиду небольшого

ные кластеры (SF₆)_mAr_n с числом частиц m ≤

(0.75 %) природного содержания³³S, исследовалось,

и n ≤

9. На рис. 2 отчетливо наблюдаются оско-

главным образом, изменение соотношения между

лочные ионы Ar+k, k = 2-5, а также ряда других

количествами изотопомеров³²SF₆ и³⁴SF₆.

продуктов, указывающих на формирование класте-

220

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

Индуцированная ИК-лазером изотопно-селективная диссоциация. ..

ров смешанного типа (SF₆)_mAr_n. В частности, на-

S /S_IR ,₀ отн. ед.

блюдаются осколочные ионы SF₅Ar+l, l = 1-4 и др.

1.0

Наиболее сильным является ионный пик SF⁺⁵. Вклад

в этот пик дают как осколки ионизации кластеров,

0.8

так и ионизация свободных (некластеризаванных)

мономеров SF₆. Наиболее существенным является

0.6

наличие пика с массовым числом m/z = 273 а.е.м.,

соответствующего ионному осколку³²SF₆₃₂SF⁺⁵, ко-

0.4

торый образуется при ионизации димера (³²SF₆)₂.

Сопло

Вклад в этот пик могут также давать осколки более

Пятно

0.2

ИК-лазера

крупных кластеров типа (SF₆)₂Ar_n. Однако напря-

мую эти кластеры мы регистрировать не могли из-за

ограниченного диапазона регистрируемых масс ис-

-1

пользуемого КМС (m/z ≤ 300 а.е.м.).

x, мм

Изменение интенсивности кластерной составля-

Рис. 3. Зависимость относительной величины кластерного

ющей пучка при возбуждении струи ИК-лазером в

сигнала SIR/S0 от положения лазерного луча (срез сопла

области формирования и/или существования клас-

и размер пятна лазера изображены на графике в масшта-

теров определялось по поведению (уменьшению)

бе). Струя облучалась на линии 10P (14) CO2-лазера (час-

сигналов ионных продуктов SF₆SF⁺⁵, SF₅Ar⁺, SF⁺⁵

тота 949.48 см-1), мощность излучения в камере 9 Вт. Над

и их изотопных компонент с помощью КМС. КМС

соплом использовалась смесь газов SF6/Ar при соотноше-

мог работать в двух режимах - в режиме измерения

нии давлений 1/100 и суммарном давлении P0 = 133 кПа.

обзорного спектра образующихся ионных осколков в

Длительность импульса открывания сопла 1 мс (на полу-

заданный момент времени, а также во времяпролет-

высоте)

ном режиме, когда КМС настраивался на опреде-

ленную массу и измерялась эволюция ионного сиг-

нала во времени по мере прилета частиц в иониза-

В приведенной на рис. 3 зависимости отчетливо

ционную камеру КМС.

виден провал вблизи среза сопла. В минимуме сиг-

Большинство экспериментов выполнено с ис-

нал на этой линии уменьшается примерно до 40 % от

пользованием аргона в качестве газа-носителя. В

исходной величины (без облучения струи). При уве-

ходе предварительных экспериментов со смесью

личении расстояния от сопла сигнал частично вос-

SF₆/Ar были выбраны рабочие диапазоны давлений

станавливается (примерно до 80 %) и затем остается

смеси над соплом и степени разбавления газа, кото-

неизменным. Ширина провала составляет примерно

рые составили соответственно P₀ = 130-220 кПа и

1.4 мм, или 5-6 калибров (диаметров) сопла (в дан-

SF₆/Ar = 1/80-1/200. Диаметр отверстия сопла в

ном эксперименте использовалось сопло с диамет-

этих экспериментах составлял d = 0.16 мм.

ром отверстия d = 0.25 мм). Сигнал в области отри-

На рис. 3 показана зависимость относитель-

цательных смещений соответствует касанию лазер-

ной величины кластерного сигнала S_IR/S₀ (laser

ного пучка кромки сопла. Наблюдаемый провал со-

on/laser off) от расстояния зоны облучения частиц

ответствует области подавления кластеризации мо-

(лазерного пятна) от среза сопла, полученная при

лекул SF₆ в результате их колебательного возбуж-

облучении частиц на линии 10P(14) лазера (частота

дения [15, 16, 44]. При увеличении расстояния зоны

949.48 см-1). Над соплом использовалась смесь га-

облучения частиц от сопла мы переходим в область

зов SF₆/Ar при соотношении давлений 1/100 и сум-

развитой и «замороженной» конденсации, поэтому

марном давлении P₀ = 133 кПа. Указанная линия

уменьшение ионного сигнала в этой области в ос-

генерации лазера находится в довольно хорошем ре-

новном связано с диссоциацией кластеров лазерным

зонансе как со спектром поглощения свободных мо-

ИК-излучением [15,16,44].

лекул³²SF₆ [39], так и со спектром высокочастот-

Для того чтобы реализовать селективную дис-

ной полосы поглощения димеров (³²SF₆)₂ [40-42]. На

социацию димеров (³²SF₆)₂, нами была выбрана ли-

рис. 3 показан размер лазерного пятна, а также по-

ния 10P (34) излучения лазера (частота 931.00 см-1)

ложение головки сопла. В качестве кластерного сиг-

для исключения и/или уменьшения вероятности

нала взят ионный пик с массовым числом 273 а.е.м.,

возбуждения на этой линии мономерных молекул

который соответствует ионному осколку³²SF₆₃₂SF⁺⁵

³²SF₆. Частота этой линии значительно отстроена

димера (SF₆)₂.

от центра полосы поглощения молекул³²SF₆ [39],

221

В. Н. Лохман, Г. Н. Макаров, А. Н. Петин и др.

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

Ионный ток, отн. ед.

но хорошо совпадает с низкочастотной полосой по-

глощения димеров (³²SF₆)₂ [40-42]. Использовалась

смесь SF₆/Ar при соотношении давлений 1/200 и

суммарном давлении газа над соплом P₀ ≈ 163 кПа.

При таком давлении в пучке присутствует зна-

x = 0 мм

чительная доля димеров. Вначале для контроля

было произведено облучение струи вблизи среза

сопла, где количество димеров должно быть ми-

нимальным. Результаты измерений приведены на

рис. 4а. Видно, что, несмотря на отсутствие резо-

нанса со свободными (некластеризованными) моле-

кулами³²SF₆, которые должны преобладать в этой

272

273

274

275

276

m/z, а.е.м.

области струи, наблюдается некоторое уменьшение

Ионный ток, отн. ед.

всех ионных пиков. Наилучшее согласие с экспери-

ментом дает красная кривая 2, которая соответству-

ет (в случае облученной струи) долевым вкладам со-

ответствующих изотопов серы q = (0.86, 0.86, 0.86),

что означает отсутствие селективности. Что каса-

x = 2 мм

ется уменьшения ионных пиков, заметим, что диа-

метр лазерного пучка составляет примерно 0.5 мм,

или около трех калибров сопла. Поэтому лазерный

пучок частично попадает в пространственную об-

ласть начала кластеризации молекул и, тем самым,

приводит к уменьшению кластерного сигнала в ре-

зультате подавления процесса кластеризации моле-

272

273

274

275

276

кул [15, 16, 44].

m/z, а.е.м.

При облучении струи на расстоянии 2 мм от сре-

Ионный ток, отн. ед.

за сопла, т. е. в области, где кластеризация молекул

в значительной мере уже завершилась (см. рис. 3),

наблюдается весьма заметное нарушение естествен-

ного изотопного соотношения (рис. 4б). В случае

диссоциации димеров параметр селективности α

x = 7 мм

можно ввести как отношение вероятностей диссоци-

ации кластеров³²SF₆₃₂SF₆ и кластеров³⁴SF₆₃₂SF₆.

Тогда из данных, приведенных на рис. 4б, оценочное

значение селективности составляет α ≈ 2.

Еще более отчетливо селективность диссоциации

кластеров³²SF₆₃₂SF₆ по отношению к кластерам

272

273

274

275

276

³⁴SF₆₃₂SF₆

проявляется в случае, когда частицы об-

m/z, а.е.м.

лучаются в области «замороженного» пучка и про-

Рис. 4. (В цвете онлайн) Масс-спектры в области димер-

цесс кластеризации полностью завершен. Это следу-

ет из рис. 4в, на котором приведены масс-спектры

ного ионного осколка SF6SF⁵ и его изотопных модифи-

каций. Сплошные кружки — результат облучения. Синие

димерного ионного осколка SF₆SF⁺⁵ с его изотопны-

кривые 1 — q = (1, 1, 1). Красные кривые 2: а — q

ми модификациями без облучения струи и при ее

= (0.86, 0.86, 0.86); б — q

= (0.83, 0.83, 0.83); в —

облучении лазером на линии 10P(34) (931.00 см-1)

= (0.88, 0.88, 0.88). Штриховые кривые 3: а — q

на расстоянии 7 мм от сопла (см. для сравнения так-

(0.86,

1); б — q

(0.83,

1); в — q

же рис. 3).

= (0.88, 1, 1) (в области 273 а.е.м. кривые 3 совпадают

Как видно на рис. 4в, наблюдается довольно зна-

с красными кривыми 2). SF6/Ar = 1/200; P0 = 163 кПа;

чительное (более, чем на 20 %) уменьшение ионно-

мощность — 4.6 Вт (а), 4.8 Вт (б), 4.4 Вт (в); диаметр

го сигнала³²SF₆₃₂SF⁺⁵, в то время как ионный сиг-

сопла — d = 0.16 мм. Расстояния от сопла: а — 0 мм (ла-

нал³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵ остается (в пределах статистиче-

зерный луч частично касается среза сопла); б — 2 мм; в —

7 мм

ской погрешности) неизменным, что формально со-

222

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

Индуцированная ИК-лазером изотопно-селективная диссоциация. ..

ответствует «бесконечной» селективности. С учетом

Ионный сигнал SF SF

, отн. ед.

ошибки измерений оценочное значение селективнос-

ти диссоциации димеров (³²SF₆)₂ по отношению к

1.0

димерам³⁴SF₆₃₂SF₆ составляет α ≥ 20-25.

0.8

3.2. Зависимость параметров

ИК-диссоциации кластеров от расстояния

0.6

зоны облучения частиц относительно среза

сопла. Влияние степени разбавления газа

0.4

Линия 10P (32)

В качестве основного способа определения эф-

0.2

-1

фективности и селективности диссоциации класте-

(932.96 см

)

ров лазерным ИК-излучением нами было выбрано

измерение интенсивности сигналов ионных продук-

тов³²SF₆₃₂SF⁺⁵ и³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵ в зависимости от рас-

x, мм

стояния зоны облучения частиц от среза сопла при

Рис. 5. Зависимости величин ионных сигналов³²SF632SF

различных условиях возбуждения. Напомним, что

(кривые 1, 1a)) и³⁴SF632SF⁵ (кривые 2, 2a) от расстояния

ионизатор КМС располагался на расстоянии 570 мм

зоны облучения частиц от сопла. Кривые 1 и 2 получены

от сопла. На рис. 5 приведены сводные зависимо-

со смесью SF6/Ar = 1/80, кривые 1a, 2a — со смесью

сти величин сигналов³²SF₆₃₂SF⁺⁵ (кривые 1 и 1a) и

1/200. Мощность CO2-лазера 4 Вт, давление над соплом

³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵ (кривые 2 и 2a) от расстояния зоны об-

P0 = 200 кПа

лучения частиц от сопла при их возбуждении на ли-

нии 10P (32) CO₂-лазера (частота 932.96 см-1), ко-

отсутствием резонанса лазерного излучения с кла-

торая совпадает с максимумом низкочастотной по-

стерами с³⁴SF₆₃₂SF₆. В то же время ионный сиг-

лосы ИК-поглощения димера (³²SF₆)₂ [40-42]. За-

нал³²SF₆₃₂SF⁺⁵ (кривая 1) уменьшается из-за на-

висимости получены со смесью SF₆/Ar при соотно-

чала кластеризации молекул³²SF₆ и диссоциации

шении давлений 1/80 (кривые 1 и 2) и 1/200 (кри-

образующихся димеров (³²SF₆)₂. Мы полагаем, что

вые 1a и 2a) при суммарном давлении газа над со-

положения минимумов кривых (1) и (2) (при ис-

плом P₀ = 200 кПа во всех случаях. Приведенные

пользовании смеси с соотношением 1/80) примерно

на рис. 5 данные (кривые 1, 1a, 2 и 2a) представля-

соответствуют области существования малых клас-

ют собой усредненные по большой серии измерений

теров — димеров (SF₆)₂ и частиц вида (SF₆)₂Ar_n.

результаты. Заметны две характерные особенности

Дальнейшее поведение наблюдаемых зависимостей,

в поведении полученных зависимостей. Проанали-

по-видимому, определяется формированием и дис-

зируем их отдельно.

социацией более крупных кластеров.

Первая особенность заключается в том, что при

Вторая особенность состоит в том, что наблюда-

положении лазерного пучка у среза сопла ионный

ется существенная зависимость эффективности дис-

сигнал³²SF₆₃₂SF⁺⁵ имеет максимальное значение,

социации кластеров от степени разбавления SF₆ ар-

в то время как сигнал³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵, наоборот, ми-

гоном. На рис. 5 приведены зависимости величин

нимален (при использовании смеси с соотношением

сигналов³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵ и³²SF₆₃₂SF⁺⁵ от расстояния

1/200). Связано это с тем, что вблизи сопла еще нет

зоны возбуждения частиц от сопла для двух зна-

кластеров. Излучение лазера на линии 10P (32) вза-

чений степени разбавления молекулярного газа в

имодействует со свободными молекулами (в данном

газе-носителе аргоне: SF₆/Ar = 1/80, 1/200. Если

случае с молекулами³⁴SF₆ [45]), и, следовательно,

для «резонансного» димерного сигнала³²SF₆₃₂SF⁺⁵

происходит подавление процесса образования клас-

(кривые 1, 1a) экспериментальные точки для этих

теров³⁴SF₆₃₂SF₆. Дальнейшая эволюция сигналов

двух значений разбавления практически совпада-

связана с образованием кластеров. При этом с из-

ют, то для бедной «нерезонансной» изотопной ком-

лучением на данной частоте лазера взаимодейству-

поненты³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵ поведение этого сигнала суще-

ют преимущественно димеры (³²SF₆)₂ [40], а димеры

ственно зависит от степени разбавления (кривые 2

³⁴SF₆₃₂SF₆ находятся вне резонанса c лазерным из-

и 2a). При «малом» разбавлении (1/80) ход кривой

лучением [40-42]. Поэтому с увеличением расстоя-

2 качественно повторяет вид кривой 1. При увели-

ния зоны облучения частиц от сопла наблюдается

чении степени разбавления до 1/200 характер за-

рост сигнала³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵, что обусловлено умень-

висимости сигнала³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵ от расстояния кар-

шением числа свободных молекул³⁴SF₆ в струе и

динально меняется — наблюдается участок началь-

223

В. Н. Лохман, Г. Н. Макаров, А. Н. Петин и др.

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

β(32,32S)

α=

(1)

β(34,32S)

β(^i,jS) = (1 -^i,jS/^i,jS₀),

(2)

— величины сиг-

где32,32S,32,32S₀ и34,32S,34,32S₀

налов соответствующих ионных димерных пиков по-

сле облучения частиц и до облучения соответствен-

но. На рис. 6 приведены значения селективности α

диссоциации кластерной компоненты32,32S по от-

0.1

S в зависимости от рас-

ношению к компоненте34,32

стояния зоны облучения частиц от сопла для двух

значений степени разбавления газов: SF₆/Ar = 1/80,

x, мм

1/200 (соответственно кривые 1 и 2). Разный харак-

Рис. 6. Зависимости селективности α диссоциации класте-

тер поведения сигналов³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵ и³²SF₆₃₂SF⁺⁵

ров от расстояния зоны облучения частиц от сопла. Кри-

при разных значениях разбавления приводит к су-

вые 1 и 2 — степень разбавления соответственно 1/80 и

щественному различию в значениях селективности

1/200. Мощность CO2-лазера 4 Вт, давление над соплом

диссоциации кластеров в этих двух случаях. При

P0 = 200 кПа

соотношении давлений SF₆/Ar = 1/80 величина се-

лективности остается практически неизменной на

ного роста с последующим выходом на насыщение,

уровне α ≈ 1.7, независимо от расстояния зоны об-

при котором положение зоны облучения частиц от-

лучения частиц от сопла. В то же время при исполь-

носительно сопла не влияет, с точностью до оши-

зовании смеси SF₆/Ar = 1/200 наблюдается зна-

бок измерений, на величину сигнала³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵. Та-

чительный рост селективности вплоть до значений

кое поведение рассматриваемых зависимостей, по-

α ≈ 15-20. Отметим, что значения α < 1 вблизи

видимому, связано с разным составом образующих-

среза сопла соответствуют области, где имеет место

ся кластеров при разном разбавлении и, соответ-

процесс подавления кластеризации молекул [15, 16].

ственно, разном характере взаимодействия с излу-

чением. В частности, увеличение степени разбавле-

ния SF₆ аргоном должно смещать процесс форми-

3.3. Зависимости параметров

рования частиц в сторону образования смешанных

ИК-диссоциации кластеров от состава и

кластеров и, возможно, понижать их внутреннюю

давления газа над соплом и мощности

температуру.

ИК-излучения

Заметим также, что при облучении струи вблизи

Нами исследовалось также влияние на парамет-

среза сопла, когда реализуется процесс предотвра-

ры ИК-диссоциации кластеров суммарного давле-

щения кластеризации молекул SF₆, селективность

ния P₀ и состава газа над соплом, а также мощ-

наблюдается лишь при сильном разбавлении иссле-

ности возбуждающего частицы лазерного излуче-

дуемого газа газом-носителем (в диапазоне от 1/100

ния. Некоторые результаты исследований приведе-

до 1/200) [15, 16]. Связано это с тем, что при силь-

ны на рис. 7 и рис. 8. На рис. 7 показаны зависи-

ном разбавлении удается подавить процессы межи-

мости эффективности и селективности диссоциации

зотопного колебательного обмена энергией между

кластеров³²SF₆₃₂SF₆ и³⁴SF₆₃₂SF₆ от давления га-

возбужденными и невозбужденными молекулами.

за над соплом в диапазоне 140-220 кПа в случае

Вероятно, указанные процессы могут влиять и на

использования смеси SF₆/Ar =

1/200. Облучение

характер поведения зависимостей, показанных на

струи проводилось на линии 10P (32) лазера (час-

рис. 5, особенно на начальном этапе.

тота 932.96 см-1) на расстоянии 1.45 мм от сопла,

Приведенные на рис. 5 данные позволяют опре-

т. е. в области, где процесс кластеризации молекул

делить изотопическую селективность ИК-диссоциа-

находится на стадии завершения (см. рис. 3). На

ции кластеров³²SF₆₃₂SF₆ по отношению к класте-

рис. 7 видно, что эффективность диссоциации клас-

рам³⁴SF₆₃₂SF₆. Селективность диссоциации клас-

теров при их возбуждении на данном фиксирован-

теров α определим как отношение расходов (yield)

ном расстоянии от сопла падает с ростом давления

β соответствующих изотопных компонент димеров,

газа над соплом. Причинами этого могут быть по-

а именно

нижение температуры и увеличение размера клас-

224

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

Индуцированная ИК-лазером изотопно-селективная диссоциация. ..

Ионный сигнал SF SF , отн. ед.₆₅₊

вая 2), а также зависимости степеней обеднения (ве-

личин ущербов соответствующих кластерных сиг-

5.28

1.0

налов, см. формулы (1) и (2)) пучка кластерами

4.53

3.62

³²SF₆₃₂SF₆ и³⁴SF₆₃₂SF₆ (соответственно кривые 3

0.8

и 4) от мощности возбуждающего частицы лазерно-

го излучения. Видно, что с ростом мощности излу-

0.6

чения сигналы³²SF₆₃₂SF⁺⁵ (кривая 1) и³⁴SF₆₃₂SF

(кривая 2) уменьшаются (соответствующие ущербы

0.4

β, кривые 3 и 4, растут). При этом селективность

убывает от значения α = 2.07 при мощности лазе-

0.2

ра 1 Вт до α = 1.79 при мощности лазера 4 Вт. Тем

не менее следует отметить, что темп уменьшения се-

лективности более медленный, чем темп роста выхо-

140

160

180

200

220

да диссоциации кластеров. Этот факт может быть

P₀, кПа

важным при выборе оптимальной мощности излу-

Рис. 7. Зависимости величины ионных сигналов от дав-

чения в процессе разделения изотопов.

ления над соплом. Кривая 1 —³²SF632SF⁵, кривая 2 —

В конце этого раздела отметим, что селектив-

³⁴SF632SF⁵. Цифрами указаны значения селективности α.

ная ИК-диссоциация кластеров, в принципе, может

Разбавление SF6/Ar = 1/200

быть использована для построения процесса разде-

ления изотопов. Один из возможных вариантов его

реализации — это селективная диссоциация на пер-

Ионный сигнал SF SF ,

, отн. ед.

вом этапе выбранной изотопной модификации клас-

1.0

теров и их распад с вылетом образующихся частиц

из пучка, и на втором этапе — последующее про-

0.8

странственное отделение этих частиц от исходно-

го молекулярно-кластерного пучка. При такой схе-

0.6

ме разделительного процесса для достижения мак-

симального коэффициента разделения необходимо

0.4

обеспечить не только высокую оптическую селек-

тивность ИК-возбуждения необходимых изотопных

0.2

модификаций кластеров, но и достаточно высокую

-1

Линия 10P (32) (932.96 см

)

скорость вылета продуктов диссоциации из пучка. С

этой точки зрения, наиболее целесообразно исполь-

W, Вт

зовать, на наш взгляд, ИК-диссоциацию димеров,

особенно в случае тяжелых молекул. В этом случае

Рис. 8. Зависимости эффективности и селективности ИК-

удовлетворяются оба отмеченных выше требования.

диссоциации кластеров от мощности лазерного излучения.

Можно также использовать небольшие смешанные

Кривые 1 и 2 — сигналы соответственно³²SF632SF⁵ и

кластеры. Однако в случае смешанных кластеров

³⁴SF632SF⁵; кривые 3, 4 — зависимости степеней обед-

эффект отдачи будет меньше, особенно для тяже-

нения пучка соответственно кластерами

³²SF632SF6 и

лых молекул типа UF₆.

³⁴SF632SF6 (величин ущербов β, см. текст). CO2-лазер

настроен на линию 10P(32), расстояние от сопла x =

Исходя из отмеченных выше соображений, в экс-

= 1.45 мм, разбавление SF6/Ar

1/80, давление

периментах мы настраивали излучение CO₂-лазера

P0 = 200 кПа

на полосу поглощения димера (³²SF₆)₂. Все основ-

ные измерения по ИК-диссоциации кластеров SF₆

выполнены нами при регистрации димерных ион-

теров, формирующихся при более высоких давлени-

ных осколков³²SF₆₃₂SF⁺⁵ и³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵. Не исклю-

ях газа над соплом, а также изменение их состава,

чено, однако, что вклад в соответствующие сигна-

что в результате приводит к смещению полос ИК-

лы давали также ионы, образующиеся при иониза-

поглощения кластеров и выходу их из резонанса с

ции в камере КМС более крупных кластеров, в том

лазерным излучением.

числе смешанных кластеров. Тем не менее мы по-

На рис. 8 приведены зависимости ионных сиг-

лагаем, что основной вклад в измеряемый сигнал

налов³²SF₆₃₂SF⁺⁵ (кривая 1) и³⁴SF₆₃₂SF⁺⁵ (кри-

давали именно димеры (SF₆)₂, особенно на ранних

225

ЖЭТФ, вып. 2

В. Н. Лохман, Г. Н. Макаров, А. Н. Петин и др.

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

стадиях формирования кластеров вблизи сопла, где

всех молекул, а не только для молекул SF₆. К до-

и были получены максимальные значения селектив-

стоинствам метода разделения изотопов на основе

ности α ≥ 10.

ИК-диссоциации кластеров, по сравнению с мето-

дом подавления кластеризации молекул [2, 15, 16],

можно отнести возможность реализации существен-

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

но более широкой области для облучения частиц без

заметного ухудшения параметров разделения. Это

Изучена селективная диссоциации однород-

обстоятельство особенно важно в случае работы с

ных и смешанных ван-дер-ваальсовых кластеров

тяжелыми молекулами типа UF₆.

(SF₆)_mAr_n лазерным ИК-излучением. Получе-

Вместе с тем следует отметить, что при сверх-

ны зависимости эффективности и селективности

звуковом расширении газа из сопла, как правило,

диссоциации кластеров от частоты и мощности

происходит образование целого набора кластеров

возбуждающего лазерного излучения, от состава и

разного размера, что значительно усложняет про-

давления газа над соплом, а также от расстояния

цесс разделения изотопов указанным методом. С

зоны облучения частиц от «среза» сопла. Пока-

другой стороны, шириной распределения клас-

зано, что резонансное колебательное возбуждение

теров по размерам можно управлять, варьируя

кластеров ИК-лазером позволяет проводить их

условия истечения газа из сопла и применяя оп-

изотопно-селективную диссоциацию.

тимальные конструкции сопла, чтобы в составе

Выполнены измерения параметров изотопно-се-

кластеров имелись преимущественно димеры. В

лективной диссоциации кластеров при различных

целом, если рассматривать только эти два подхода

значениях интенсивности и частоты лазерного излу-

(селективное подавление кластеризации молекул и

чения. Установлено, что с ростом мощности возбуж-

селективную ИК-диссоциацию кластеров), то вари-

дающего излучения эффективность диссоциации

ант с ИК-диссоциацией кластеров в ряде случаев

резонансной изотопной компоненты кластеров рас-

выглядит, на наш взгляд, более предпочтительным.

тет, а селективность диссоциации уменьшается. По-

казано, что частота лазерного излучения существен-

Работа выполнена при частичной финансовой

но влияет на параметры изотопно-селективной ИК-

поддержке РФФИ (грант № 18-02-00242).

диссоциации кластеров, поэтому для достижения

оптимальных значений эффективности и селектив-

ности диссоциации кластеров необходим адекват-

ЛИТЕРАТУРА

ный выбор частоты излучения лазера. Это особен-

1. Г. Н. Макаров, УФН 185, 717 (2015).

но важно для кластеров тяжелых молекул с малым

изотопным сдвигом в спектрах ИК-поглощения.

2. В. М. Апатин, В. Н. Лохман, Г. Н. Макаров,

Установлено, что при диссоциации кластеров

Н.-Д. Д. Огурок, Е. А. Рябов, КЭ 48, 157 (2018).

можно реализовать сравнительно высокие селектив-

3. V. N. Bagratashvili, V. S. Letokhov, A. A. Makarov,

ности. Так, в случае использования смеси SF₆/Ar

and E. A. Pybov, Multiple Photon Infrared Laser

при соотношении давлений 1/200 для селективно-

Photophysics and Photochemistry, Harwood Acad.

сти диссоциации кластеров³²SF₆₃₂SF₆ по отноше-

Press Publ., New York (1985).

нию к кластерам³⁴SF₆₃₂SF₆ получены значения

α(32,32S/32,34S) ≥ 10-20 в условиях облучения струи

4. J. L. Lyman, G. P. Quigley, and O. P. Judd, in Mul-

на линии 10P (32) лазера (на частоте 932.96 см-1).

tiple-Photon Excitation and Dissociation of Polyato-

Найдены условия, при которых реализуются опти-

mic Molecules, ed. by C. D. Cantrell, Springer, Berlin

(1986), p. 34.

мальные значения эффективности и селективности

диссоциации однородных и смешанных кластеров

5. Г. Н. Макаров, УФН 175, 41 (2005).

(SF₆)_mAr_n. Получены значительно более высокие

селективности диссоциации как однородных, так и

6. В. С. Летохов, Е. А. Рябов, в сб. Изотопы: свой-

смешанных молекулярных кластеров по сравнению

ства, получение, применение, под ред. В. Ю. Ба-

ранова, Физматлит, Москва (2005), т. I, с. 445.

с данными работ [31-34].

Полученные результаты дают довольно полное

7. В. Ю. Баранов, А. П. Дядькин, В. С. Летохов,

представление о процессах, происходящих при ла-

Е. А. Рябов, в сб. Изотопы: свойства, получение,

зерной ИК-диссоциации молекулярных кластеров,

применение, под ред. В. Ю. Баранова, Физматлит,

которые в своей основе имеют общий характер для

Москва (2005), т. I, с. 460.

226

ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019

Индуцированная ИК-лазером изотопно-селективная диссоциация. ..

V. Yu. Baranov, A. P. Dyadkin, D. D. Malyuta,

26.

F. G. Celii and K. C. Janda, Chem. Rev. 86, 507

V. A. Kuzmenko, S. V. Pigulsky, V. S. Letokhov,

(1986).

V. B. Laptev, E. A. Ryabov, I. V. Yarovoi, V. B. Za-

27.

R. E. Miller, J. Phys. Chem. 90, 3301 (1986).

rin, and A. S. Podorashy, Proc. SPIE (Progress in

Research and Development of High-Power Industrial

28.

U. Buck, Adv. Atom. Mol. Opt. Phys. D 35, 121

CO2-lasers), 4165, 314 (2000).

(1995).

J. W. Eerkens, Nucl. Sci. Eng. 150, 1 (2005).

29.

Y. T. Lee, US Patent 4, 032, 306 (1977).

10.

J. Kim, J. W. Eerkens, and W. H. Miller, Nucl. Sci.

30.

M. P. Casassa, D. S. Bomse, and K. C. Janda, J.

Eng. 156, 219 (2007).

Phys. Chem. 85, 2623 (1981).

31.

J.-M. Philippoz, J.-M. Zellweger, H. van den Bergh,

11.

J. Kim, J. W. Eerkens, M.-H. Yang, Ch.-K. Rhee, and

and R. Monot, J. Phys. Chem. 88, 3936 (1984).

W. W. Kim, Current Status of the MLIS Uranium

Enrichment Process, in Transactions of the Korean

32.

J.-M. Philippoz, J.-M. Zellweger, H. van den Bergh,

Nuclear Society Spring Meeting, JeJu, Korea, May

and R. Monot, Surf. Sci. 156, 701 (1985).

22 (2009).

33.

J. M. Philippoz, B. Calpini, R. Monot, and

12.

J. W. Eerkens and J. Kim, AIChE J. 56, 2331 (2010).

H. van den Bergh, Ber. Bunsenges. Phys. Chem.

89(3), 291 (1985).

13.

K. A. Lyakhov and H. J. Lee, Appl. Phys. B 111, 261

(2013).

34.

H. Van den Bergh, Laser und Optoelectronik 3, 263

(1985).

14.

K. A. Lyakhov, H. J. Lee, and A. N. Pechen, Sep.

Purif. Technol. 176, 402 (2017).

35.

Y. Okada, S. Tanimura, H. Okamura, A. Suda, H. Ta-

shiro, and K. Takeuchi, J. Mol. Struct. 410-411, 299

15.

В. М. Апатин, В. Н. Лохман, Г. Н. Макаров,

(1997).

Н.-Д. Д. Огурок, Е. А. Рябов, ЖЭТФ 152, 627

36.

A. S. Pine and A. G. Robiette, J. Mol. Spectr. 80,

(2017).

388 (1980).

16.

В. М. Апатин, Г. Н. Макаров, Н.-Д. Д. Огурок,

37.

C. W. Patterson, B. J. Krohn, and A. S. Pine, Opt.

А. Н. Петин, Е. А. Рябов, ЖЭТФ 154, 287 (2018).

Lett. 6, 39 (1981).

17.

Г. Н. Макаров, Н.-Д. Д. Огурок, А. Н. Петин, КЭ

38.

C. W. Patterson, B. J. Krohn, and A. S. Pine, J. Mol.

48, 667 (2018).

Spectr. 88, 133 (1981).

18.

Г. Н. Макаров, УФН 173, 913 (2003).

39.

R. S. McDowell, B. J. Krohn, H. Flicker, and

M. C. Vasquez, Spectrochim. Acta A 42, 351 (1986).

19.

Г. Н. Макаров, А. Н. Петин, КЭ 46, 248 (2016).

40.

J. Geraedts, S. Setiadi, S. Stolte, and J. Reuss, Chem.

20.

http://www.silex.com.au.

Phys. Lett. 78, 277 (1981).

21.

-SILEX Process.

www.chemeurope.com/en/

41.

J. Geraedts, S. Stolte, and J. Reuss, Z. Phys. A 304,

encyclopedia/Silex_Process.html.

167 (1982).

42.

J. Geraedts, M. Waayer, S. Stolte, and J. Reuss,

22.

-SILEX Uranium Enrichment, SILEX Annual

Faraday Discuss. Chem. Soc. 73, 375 (1982).

Report 2014, http://www.silex.com.au.

43.

В. М. Апатин, В. Н. Лохман, Г. Н. Макаров,

23.

-SILEX Uranium Enrichment, SILEX Annual

А. Л. Малиновский, А. Н. Петин, Д. Г. Пойдашев,

Report 2017, http://www.silex.com.au.

Е. А. Рябов, Письма в ЖЭТФ 104, 440 (2016).

44.

P. Melinon, R. Monot, J.-M. Zellweger, and

24.

J. L. Lyman, Los Alamos National Laboratory Re-

H. van den Bergh, Chem. Phys. 84, 345 (1984).

port LA-UR-05-3786 (2005).

45.

G. Baldacchini, S. Marchetti, and V. Montelatici, J.

25.

K. C. Janda, Adv. Chem. Phys. 60, 201 (1985).

Mol. Spectr. 91, 80 (1982).

227