Письма в ЖЭТФ, том 112, вып. 4, с. 226 - 232

Сильное увеличение эффективности изотопно-селективной лазерной

ИК диссоциации молекул в неравновесных термодинамических

условиях скачка уплотнения за счет использования смеси

с резонансно поглощающим газом

Г. Н. Макаров¹⁾, А. Н. Петин

Институт спектроскопии РАН, 108840 Троицк, Москва, Россия

Поступила в редакцию 7 июля 2020 г.

После переработки 7 июля 2020 г.

Принята к публикации 8 июля 2020 г.

Обнаружено сильное увеличение эффективности лазерной изотопно-селективной ИК диссоциации

молекул (на примере CF2HCl) в неравновесных термодинамических условиях скачка уплотнения за

счет использования смеси с резонансно поглощающим газом (CF3Br). Показано, что выход диссоциации

молекул CF2HCl сильно (более чем в 5-10 раз) возрастает при их облучении в смеси с молекулами CF3Br

по сравнению со случаем их облучения в чистом газе. Порог диссоциации молекул CF2HCl в смеси с

молекулами CF3Br также значительно снижается (от ≈ 1.5-2.0 до 0.2-0.3 Дж/см²). Это дает возмож-

ность проводить эффективную изотопно-селективную ИК диссоциацию молекул при низких плотностях

энергии возбуждения (Φ ≤ 1.0-1.5 Дж/см²), а также повысить селективность процесса. Описан метод

и приведены первые результаты. Реализована селективная по отношению к изотопам хлора³⁵Cl и³⁷Cl

диссоциация молекул CF2HCl с коэффициентом обогащения Kenr(³⁵Cl/³⁷Cl) = 0.90 ± 0.05 при облуче-

нии смеси CF2HCl/CF3Br = 1/1 CO2-лазером на линии 9R(30) (1084.635 см^-1) при плотности энергии

Φ ≈ 1.3Дж/см².

DOI: 10.31857/S1234567820160028

1. Введение. В настоящее время проводится

Как было показано в работах [1,18], альтернати-

много исследований с использованием молекулярных

ву низкоэнергетическим методам МЛРИ может со-

и кластерных пучков по разработке низкоэнергети-

ставить подход, в котором изотопно-селективная ИК

ческих методов молекулярного лазерного разделения

диссоциация молекул проводится в импульсном га-

изотопов (МЛРИ) [1-15]. Основной целью этих ис-

зодинамически охлажденном молекулярном потоке,

следований является поиск эффективных и эконо-

взаимодействующем с твердой поверхностью, в том

мичных методов разделения изотопов урана, а также

числе в скачке уплотнения (ударной волне), форми-

других элементов. Метод инфракрасной (ИК) мно-

рующемся перед поверхностью при падении на нее

гофотонной диссоциации (МФД) молекул [16] был

интенсивного молекулярного потока. В этом подхо-

успешно применен на практике для разделения изо-

де реализуются новые термодинамические условия

топов углерода с использованием молекул CF₂HCl

для облучаемых молекул в скачке уплотнения, а про-

[17]. Применение этого метода для разделения изото-

цессы столкновений возбужденных молекул друг с

пов тяжелых элементов сдерживается из-за высокой

другом приводят, наряду с радиационным возбуж-

энергоемкости процесса (для диссоциации молекулы

дением, к эффективной диссоциации молекул [1, 18].

UF₆ требуется поглощение ≈ 40-50 квантов ИК излу-

Этот подход был предложен и развит в работах

чения с длиной волны 16 мкм, т.е. около 3.2-4.0 эВ),

[19-22], в которых в неравновесных термодинами-

отсутствия высокоэффективных и мощных лазерных

ческих условиях скачка уплотнения исследовалась

систем и ряда других факторов. Поэтому разработ-

изотопно-селективная лазерная ИК диссоциация мо-

ка низкоэнергетических методов МЛРИ и альтерна-

лекул SF₆ [19-21] и CF₃I [22, 23]. Высокие значения

тивных им методов является важной и актуальной

выхода продуктов и селективности были получены

задачей.

при относительно низкой плотности энергии возбуж-

дения (Φ ≤ 1.5-2 Дж/см²) [19-23].

В случае молекул SF₆ и CF₃I изотопные сдвиги

¹⁾e-mail: gmakarov@isan.troitsk.ru

в спектрах ИК поглощения возбуждаемых лазером

226

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 3 - 4

2020

Сильное увеличение эффективности изотопно-селективной лазерной ИК. . .

227

колебаний ν₃ (SF₆) и ν₁ (CF₃I) составляют, соответ-

тивная ИК диссоциация молекул происходит только

ственно, Δν_is ≈ 17 см^-1 (относительно изотопов³²S и

при довольно высоких плотностях энергии возбуж-

³⁴S) [24, 25] и ≈ 27 см^-1 (относительно изотопов¹²C

дения (Φ ≥ 3-4 Дж/см²) [31, 32]. Это связано с осо-

и¹³C) [26]. Эти величины значительно превышают

бенностями энергетического спектра колебательных

ширины полос ИК поглощения молекул в газодина-

состояний молекул CF₂HCl [32] и большим ангармо-

мически охлажденном молекулярном потоке. Прин-

низмом возбуждаемого колебания ν₃ молекулы (кон-

ципиально иная ситуация реализуется в случае мо-

станта ангармонизма X₃₃ составляет ≈ -5 см^-1 [30]).

лекул, имеющих небольшие изотопные сдвиги, когда

При многофотонном ИК возбуждении CF₂HCl про-

спектры ИК поглощения разных изотопомеров прак-

исходит накопление (“прилипание”) молекул на ниж-

тически полностью перекрываются.

них колебательных уровнях [32]. Это существенно

Недавно мы начали исследование селективной

ограничивает выход диссоциации молекул при уме-

ИК диссоциации в неравновесных термодинамиче-

ренных плотностях энергии возбуждения. Эффект

ских условиях скачка уплотнения других, хорошо

“прилипания” преодолевается либо в результате воз-

изученных в плане ИК многофотонного возбужде-

буждения молекул двух- или многочастотным ИК

ния и диссоциации молекул [16], а именно, CF₂HCl и

лазерным излучением, либо за счет использования

CF₃Br. Указанные молекулы характеризуются весь-

относительно высоких давлений собственного газа

ма малыми (менее 0.25 см^-1) изотопными сдвига-

CF₂HCl или буферного газа [32]. В данной работе

ми в спектрах ИК поглощения, возбуждаемых CO₂-

нами показано, что эффективность ИК МФД мо-

лазером колебаний по отношению к изотопам, со-

лекул CF₂HCl в неравновесных термодинамических

ответственно, хлора и брома. Так, изотоп-сдвиг в

условиях скачка уплотнения можно существенно уве-

спектре поглощения колебания ν₃ (≈ 1109 см^-1 [27])

личить за счет использования резонансно поглоща-

молекул CF₂HCl составляет Δ_is ≈ 0.048 см^-1 [27],

ющих излучение лазера на частоте возбуждения

а изотоп-сдвиг в спектре поглощения колебания ν₁

CF₂HCl молекул CF₃Br, что позволило наблюдать

(≈ 1085 см^-1 [28]) молекул CF₃Br - Δ_is ≈ 0.248 см^-1

также изотопно-селективную диссоциацию молекул

[28]. Поэтому полученные с этими молекулами ре-

CF₂HCl по отношению к изотопам хлора³⁵Cl и³⁷Cl.

зультаты представляют особый интерес в контексте

2. Термодинамические условия в скачке

выяснения возможности применения рассматривае-

уплотнения. В процессе быстрого охлаждения мо-

мого подхода для разделения изотопов в молекулах,

лекулярного газа при расширении из сопла термоди-

имеющих небольшой изотопический сдвиг в спектрах

намическое равновесие между различными степеня-

возбуждаемых колебаний, что характерно для моле-

ми свободы молекул нарушается. Для поступатель-

кул, содержащих изотопы тяжелых элементов. На-

ной, вращательной и колебательной температур мно-

пример, для изотопомеров²³⁵UF₆ и²³⁸UF₆ изото-

гоатомных молекул в потоке реализуются [33] усло-

пический сдвиг в спектрах колебания ν₃ (≈ 627 см^-1

вия: T_1,tr ≤ T_1,rot ≤ T_1,vib.

[29]) также мал и составляет около 0.65 см^-1 [29].

В скачке уплотнения [34], формирующемся при

В исследованиях с молекулами CF₂HCl нами

взаимодействии импульсного газодинамически охла-

обнаружено сильное увеличение эффективности

жденного молекулярного потока с поверхностью, из-

изотопно-селективной лазерной ИК диссоциации

за разницы в скоростях поступательной, вращатель-

молекул в случае их облучения в смеси с резонанс-

ной и колебательной релаксаций [35], реализуются

но поглощающими излучение лазера молекулами

обратные неравновесные условия, а именно: T_2,tr ≥

CF₃Br. Полученные результаты важны, на наш

≥T_2,rot ≥T_2,vib.

взгляд, как в научном, так и практическом плане,

При этом из-за большого времени колебательно-

поскольку обнаруженный эффект характерен для

поступательной релаксации (например, для CF₃Br

любых других молекул, а конкретно молекулы

pτ_V-T

≈ 135 мкс · торр [36], для CF₂HCl pτ_V-T

≈

CF₂HCl используются в технологии лазерного

≈ 65 мкс · торр [37]), колебательная температура мо-

разделения изотопов углерода на практике

[17].

лекул в скачке уплотнения в случае использования

В данном Письме излагается метод и приведены

импульсного потока разреженного газа может прак-

первые результаты исследований.

тически не отличаться от колебательной температу-

Молекула CF₂HCl имеет сравнительно большой

ры молекул в падающем потоке (T_2,vib ≈ T_1,vib), в

изотопический сдвиг по отношению к изотопам угле-

то время как поступательная и вращательная тем-

рода (Δν_is ≈ 24 см^-1 [30]), и поэтому в процессе ИК

пературы молекул в скачке уплотнения значительно

МФД молекул была реализована довольно высокая

выше, чем в невозмущенном потоке: T_2,tr > T_1,tr и

селективность (α ≥ 10² [31]). В то же время эффек-

T_2,rot > T_1,rot.

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 3 - 4

2020

6^∗

228

Г. Н. Макаров, А. Н. Петин

Таким образом, в скачке уплотнения создаются

вине максимума). Давление газа над соплом состав-

новые неравновесные условия, которые характеризу-

ляло от 4.0 до 8.0 атм. Расстояние от выхода сопла

ются тем, что колебательная температура молекул

до ионизационной камеры масс-спектрометра состав-

существенно меньше поступательной и вращатель-

ляло 350 мм. Камера источника пучка отделялась

ной температур.

от ионизационной камеры масс-спектрометра ским-

3. Эксперимент и метод. Экспериментальная

мером с диаметром отверстия 1.05 мм, расположен-

установка. Схема установки показана на рис. 1.

ном на расстоянии 150 мм от сопла. ИК лазерное из-

Она включает

[15] высоковакуумную камеру с

лучение с использованием двух фокусирующих ци-

линдрических линз с фокусным расстоянием 240 и

180 мм фокусировалось в камеру молекулярного пуч-

ка через окно из NaCl. Лазерное излучение пересека-

ло молекулярный пучок под углом около 90^◦. Разме-

ры лазерного пучка на пересечении с молекулярным

пучком составляли ∼ 8×6 мм². Для резонансного воз-

буждения колебания ν₃ молекул CF₂HCl CO₂-лазер

был настроен на частоту генерации 1084.635 см^-1

(линия излучения 9R(30)).

На расстоянии x = 50 мм от сопла располагалась

перпендикулярно направлению молекулярного пото-

ка металлическая подложка толщиной 6 мм и диа-

метром 50 мм. В центре подложки имелось полиро-

ванное конусное отверстие с входным диаметром (со

Рис. 1. (Цветной онлайн) Схема экспериментальной

стороны сопла) 1.2 мм и выходным - 5.0 мм. При па-

установки. 1 - Высоковакуумная камера; 2 - импульс-

ное сопло; 3 - скиммер; 4 - квадрупольный масс-

дении интенсивного импульсного молекулярного по-

спектрометр; 5 - подложка с усеченной тетраэдриче-

тока на эту пластинку перед ней формировался ска-

ской пирамидой для формирования ударной волны; 6 -

чок уплотнения (ударная волна) [34] с неоднородны-

цилиндрические линзы; 7 - ослабители; 8 - окна из

ми, нестационарными и неравновесными условиями

NaCl; 9 - поглотитель

[20, 21]. Характерный размер фронта скачка уплот-

нения, который по порядку величины равен длине

импульсным источником молекулярного пучка,

свободного пробега молекул [34], в условиях рассмат-

квадрупольный масс-спектрометр для детектиро-

риваемых экспериментов составлял 5-7 мм [20-22]. С

вания частиц пучка и перестраиваемый по частоте

целью получения более интенсивного скачка уплот-

импульсный СО₂-лазер с энергией в импульсе до

нения к пластинке прикреплялась со стороны сопла

4 Дж для возбуждения молекул. Установка включа-

сходящая усеченная четырехгранная пирамида вы-

ет также персональный компьютер для управления

сотой 12 мм. Две грани пирамиды были изготовле-

масс-спектрометром, систему синхронизации лазер-

ны из тонких пластинок NaCl, прозрачных для из-

ного импульса с импульсом молекулярного пучка

лучения лазера. Молекулы пучка, а также образую-

и систему сбора и обработки данных. Камеры

щиеся в результате возбуждения лазером и последу-

источника молекулярного пучка и квадрупольного

ющей диссоциации молекул продукты, находящиеся

масс-спектрометра откачивались турбомолеку-

в скачке уплотнения, выходили через конусное от-

лярными насосами до давления не более 10^-5 и

верстие в пластинке, формировали вторичный моле-

∼ 10^-7 торр соответственно.

кулярный пучок [23] и попадали в ионизатор масс-

Молекулярный пучок CF₂HCl (или смеси моле-

спектрометра.

кул CF₂HCl/CF₃Br) генерировался в камере источ-

Метод. При лазерной ИК диссоциации моле-

ника пучка в результате сверхзвукового расшире-

кул CF₂HCl образуются радикалы CF₂ и молекулы

ния указанных газов через импульсное сопло General

HCl. В результате последующей рекомбинации ра-

Valve с диаметром выходного отверстия 0.8 мм. С це-

дикалов CF₂ образуются молекулы C₂F₄ [38]. Энер-

лью увеличения интенсивности молекулярного пуч-

гия диссоциации молекул CF₂HCl составляет 47.9 ±

ка к соплу прикреплялся расходящийся конус дли-

± 4.0 ккал/моль [39]. При лазерной ИК диссоциации

ной 20 мм и углом раствора 15^◦. Частота повторения

молекул CF₃Br образуются радикалы CF₃ и атомы

импульсов сопла составляла 0.7 Гц, а длительность

Br, а конечными продуктами диссоциации и последу-

импульса варьировалась от 390 до 475 мкс (на поло-

ющих химических реакций являются молекулы C₂F₆

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 3 - 4

2020

Сильное увеличение эффективности изотопно-селективной лазерной ИК. . .

229

и Br₂ [40]. Энергия диссоциации молекул CF₃Br зна-

чительно больше, чем у молекул CF₂HCl. Она со-

ставляет 66.9 ± 3.0 ккал/моль [39].

Выходы диссоциации β₃₅ и β₇₉ молекул CF₂HCl

и CF₃Br определялись на основе измерений интен-

сивности времяпролетных спектров, соответственно,

молекулярного иона CF₂H³⁵Cl⁺ (m/z = 86) и ион-

ного фрагмента CF⁷⁹²Br⁺ (m/z = 129). Времяпро-

летные спектры указанных ионов измерялись как в

отсутствии возбуждения молекул в формирующем-

ся перед поверхностью скачке уплотнения, так и

при их возбуждении лазером. Так, в случае молекул

CF₂HCl:

S_L = S₀(1 - β₃₅Γ),

(1)

Рис. 2. (Цветной онлайн) Зависимости величины ион-

где S₀ и S_L - соответственно времяпролетные ионные

ных сигналов CF2H³⁵Cl⁺ от времени без облучения

молекул в скачке уплотнения (1) и в случае их об-

сигналы CF₂H³⁵Cl⁺ в отсутствии возбуждения моле-

лучения СО2-лазером на линии 9R(30) (на частоте

кул и при их возбуждении лазером. Γ - отношение

1084.635 см^-1) при плотности энергии 2.2 Дж/см² (2).

облучаемого объема ко всему объему молекулярно-

Давление смеси CF2HCl/CF3Br

= 1/1 над соплом

го потока. В экспериментах мы анализировали с по-

8 атм. Длительность импульса открывания сопла -

мощью масс-спектрометра состав лишь облучаемой

475 мкс

лазерным излучением части молекулярного потока.

Поэтому в нашем случае реализовывалось условие

сти энергии возбуждающего излучения и определя-

Γ = 1.

ется на основе приведенного выше соотношения (1).

Коэффициент обогащения K_enr(³⁵Cl/³⁷Cl) в оста-

На рисунке 3 приведены зависимости выхода дис-

точном после облучения газе CF₂HCl (изотопом³⁵Cl

социации β₃₅ молекул CF₂H³⁵Cl от плотности энер-

по отношению к изотопу³⁷Cl) определялся как отно-

гии Φ возбуждающего лазерного излучения, кото-

шение концентраций изотопов³⁵Cl и³⁷Cl в остаточ-

рые измерялись по величине молекулярного ионно-

ном после облучения газе CF₂HCl к аналогичному

го сигнала CF₂H³⁵Cl⁺ при возбуждении молекул в

отношению концентраций изотопов хлора в исходном

ударной волне в двух различных случаях. В пер-

(природном) газе CF₂HCl на основе соотношения:

вом случае (1) ударная волна формировалась моле-

кулярным потоком чистого газа CF₂HCl, а во вто-

1-β₃₅

K_enr(³⁵Cl/³⁷Cl) =

(2)

ром случае (2) - молекулярным потоком смеси га-

1-β₃₇

зов CF₂HCl/CF₃Br = 1/1. В обоих случаях общее

Отношение концентраций изотопов хлора в облучен-

давление газа над соплом составляло 4.0 атм. Вид-

ном газе CF₂HCl при каждой фиксированной плот-

но, что в широком диапазоне плотностей энергии

ности энергии возбуждения определялось в резуль-

(Φ = 0.2-3.0 Дж/см²) выход диссоциации молекул

тате усреднения пяти измеренных масс-спектров.

CF₂HCl намного больше, когда они возбуждаются

4. Результаты и их обсуждение. На рисунке 2

в смеси с молекулами CF₃Br, чем при возбуждении

показана временная зависимость (времяпролетный

чистого CF₂HCl. Например, при плотности энергии

спектр) ионного сигнала CF₂H³⁵Cl⁺ без облучения

возбуждения ≈ 2 Дж/см² выход диссоциации моле-

молекул в ударной волне (1) и при их облучении

кул CF₂HCl при облучении в смеси с молекулами

лазерным импульсом на линии 9R(30) (на часто-

CF₃Br примерно в 4-5 раз больше, чем в случае облу-

те 1084.635 см-1) при плотности энергии возбуж-

чения чистого газа CF₂HCl. Эта разница еще больше

дающего излучения 2.2 Дж/см² (2). Для формиро-

при плотностях энергии менее 1 Дж/см². Увеличе-

вания молекулярного потока использовалась смесь

ние выхода диссоциации молекул CF₂HCl в смеси с

CF₂HCl/CF₃Br при соотношении давлений 1/1 и

CF₃Br обусловлено [41] эффективной передачей им

суммарном давлении газа над соплом 8.0 атм. Видно,

колебательной энергии за счет дальнодействующе-

что при облучении молекул во временной зависимо-

го дипольно-дипольного взаимодействия от молекул

сти молекулярного ионного сигнала CF₂H³⁵Cl⁺ “вы-

CF₃Br, возбужденных лазером.

жигается” провал. Глубина провала, равная выходу

При облучении молекул CF₂HCl в смеси с молеку-

диссоциации молекул CF₂H³⁵Cl, зависит от плотно-

лами CF₃Br значительно (примерно в 3-5 раз) умень-

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 3 - 4

2020

230

Г. Н. Макаров, А. Н. Петин

шается также порог их диссоциации (см. рис.3).

Это позволяет проводить эффективную изотопно-

Рис. 4. (Цветной онлайн) Масс-спектры молекул

CF2HCl (m/z = 86, 87, 88) до облучения (1) и после об-

лучения смеси CF2HCl/CF3Br = 1/1 в ударной волне

(2). Молекулы возбуждались на линии 9R(30) лазера

Рис. 3. (Цветной онлайн) Зависимости выхода диссоци-

при плотности энергии 2.2 Дж/см². Давление газа над

ации молекул CF2H³⁵Cl от плотности энергии лазер-

соплом 8 атм. Длительность импульса открывания соп-

ного излучения в случае облучения молекул CF2HCl

ла - 475 мкс

в ударной волне в чистом газе (1) и в случае их об-

лучения в смеси CF2HCl/CF3Br = 1/1 (2). Молекулы

возбуждались на линии 9R(30) лазера. В обоих случаях

молекул CF₂H³⁵Cl по сравнению с диссоциацией

давление газа над соплом 4 атм. Длительность импуль-

молекул CF₂H³⁷Cl.

са открывания сопла - 410 мкс

На рисунке 5 приведена зависимость коэффи-

циента обогащения K_enr(³⁵Cl/³⁷Cl) в остаточном

селективную диссоциацию молекул CF₂HCl при низ-

ких плотностях энергии возбуждения и тем са-

мым повысить селективность процесса [31]. Благода-

ря столкновениям и обмену энергией с молекулами

CF₂HCl, молекулы CF₃Br устраняют эффект “при-

липания” молекул CF₂HCl на нижних колебатель-

ных уровнях и способствуют их более эффективному

возбуждению вплоть до границы диссоциации.

Поскольку энергия диссоциации молекул CF₃Br

намного больше, чем у молекул CF₂HCl, при об-

лучении смеси CF₂HCl/CF₃Br диссоциация молекул

CF₂HCl происходит при значительно более низкой

колебательной энергии смеси, т.е. при более низкой

плотности энергии возбуждения, чем диссоциация

молекул CF₃Br. В результате при небольших плот-

Рис. 5. (Цветной онлайн) Зависимость коэффициента

ностях энергии возбуждения реализуются условия,

обогащения Kenr(³⁵Cl/³⁷ Cl) в остаточном газе CF2HCl

когда молекулы CF₂HCl будут эффективно диссоци-

от плотности энергии возбуждающего излучения в слу-

ировать, в то время как молекулы CF₃Br не будут

чае облучения смеси молекул CF2HCl/CF3Br = 1/1 в

подвергаться диссоциации.

скачке уплотнения на линии 9R(30) лазера (на частоте

На рисунке

показан масс-спектр молекул

1084.635 см^-1). Давление газа над соплом 8 атм. Дли-

CF₂HCl в области m/z = 86, 87, 88 (ионные сигналы

тельность импульса открывания сопла - 475 мкс

CF₂H³⁵Cl⁺, CF³⁷²Cl⁺, CF₂H³⁷Cl⁺ соответственно)

без облучения смеси CF₂HCl/CF₃Br = 1/1 (1) и при

газе CF₂HCl от плотности энергии возбужда-

ее облучении лазером (2). Молекулы возбуждались

ющего излучения в случае облучения смеси

в скачке уплотнения на частоте линии 9R(30) лазера

CF₂HCl/CF₃Br

1/1

на линии

9R(30) лазера

при плотности энергии Φ

= 2.2 Дж/см². Видно,

(на частоте 1084.635 см^-1). Из рисунка 5 следует,

что имеет место преимущественная диссоциация

что селективная диссоциация молекул CF₂HCl

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 3 - 4

2020

Сильное увеличение эффективности изотопно-селективной лазерной ИК. . .

231

реализуется только при низких плотностях энергии

другие молекулы, что особенно важно при селектив-

возбуждения (Φ

≤ 1-2.0 Дж/см²). Следователь-

ной лазерной ИК диссоциации молекул, имеющих

но, селективная диссоциация молекул CF₂HCl

небольшие изотопные сдвиги в спектрах ИК погло-

возможна только в смеси с молекулами CF₃Br,

щения.

поскольку при столь низких плотностях энергии

Работа частично поддержана Российским

возбуждения диссоциация молекул CF₂HCl в чистом

фондом фундаментальных исследований (грант

газе практически не происходит (см. рис. 3). При

#18-02-00242).

высоких плотностях энергии возбуждения селектив-

ная диссоциация молекул CF₂HCl, как и молекул

Г. Н. Макаров, УФН 185, 717 (2015).

CF₃Br, имеющих небольшие изотопические сдвиги в

J. W. Eerkens and J. Kim, AIChE Journal 56(9), 2331

(2010).

спектрах ИК поглощения, не реализуется [15] из-за

Г. Н. Макаров, А. Н. Петин, Письма в ЖЭТФ 93, 123

динамического полевого уширения возбуждаемых

(2011).

переходов молекул (частоты Раби).

Г. Н. Макаров, А. Н. Петин, Письма в ЖЭТФ 97, 82

Сделанные нами оценки [15] показывают, что

(2013).

концентрации молекул CF₂HCl в падающем пото-

K. A. Lyakhov and H.J. Lee, J. Laser Appl. 27(2),

ке и ударной волне в условиях наших эксперимен-

022008 (2015).

тов (давление газа над соплом 4.2 атм, длительность

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

импульса открывания сопла 410 мкс, число молекул,

Н.-Д. Д. Огурок, Е. А. Рябов, ЖЭТФ

152,

627

выходящих из сопла за импульс, ≈ 1.7 × 10¹⁷) состав-

(2017).

ляют ≈ 5.2 × 10¹⁵ см^-3 и ≈ 6.3 × 10¹⁶ см^-3 соответ-

Г. Н. Макаров, УФН 188, 689 (2018).

ственно.

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

Н.-Д. Д. Огурок, Е. А. Рябов, Квантовая элек-

Результаты, представленные на рис. 3-5, показы-

троника 48, 157 (2018).

вают, что благодаря совместному действию радиаци-

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

онного и столкновительного механизмов возбужде-

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

ния резонансно поглощающих молекул обоих типов,

10.

V. N. Lokhman, G. N. Makarov, A. L. Malinovskii,

которые имеют место при их облучении в неравновес-

A. N. Petin, D.G. Poydashev, and E. A. Ryabov, Laser

ных термодинамических условиях скачка уплотне-

Phys. 28, 105703 (2018).

ния [20, 21], можно существенно увеличить как выход

11.

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

диссоциации молекул, так и формирование продук-

товая электроника 48, 667 (2018).

тов. Это дает возможность проводить ИК диссоциа-

12.

В. Н. Лохман, Г. Н. Макаров, А. Н. Петин, Д. Г. Пой-

цию молекул при значительно более низких плотно-

дашев, Е. А. Рябов, ЖЭТФ 155, 216 (2019).

стях энергии возбуждения и повысить селективность

13.

А. Н. Петин, Г. Н. Макаров, Квантовая электроника

49, 593 (2019).

процесса диссоциации.

14.

Г. Н. Макаров, УФН 190, 264 (2020).

5. Заключение. В работе продемонстрировано

15.

Г. Н. Макаров, А. Н. Петин, Письма в ЖЭТФ 111,

сильное увеличение эффективности индуцированной

361 (2020).

ИК лазером изотопно-селективной диссоциации мо-

16.

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

лекул (на примере CF₂HCl) в неравновесных термо-

and E. A. Ryabov, Multiple Photon Infrared Laser

динамических условиях скачка уплотнения за счет

Photophysics and Photochemistry, Harwood Acad.

использования смеси с резонансно поглощающим га-

Publ., Chur (1985).

зом (CF₃Br). Установлено, что выход диссоциации

17.

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

молекул CF₂HCl сильно (более, чем в 5-10 раз) уве-

Е. А. Рябов, Лазерное разделение изотопов углеро-

личивается при их облучении в смеси с молекула-

да, в кн. Изотопы: свойства, получение, примене-

ние, под ред. В. Ю. Баранова, Физматлит, М. (2005),

ми CF₃Br по сравнению со случаем их облучения

т. I, с. 460.

в чистом газе CF₂HCl. Показано, что порог дис-

18.

Г. Н. Макаров, А. Н. Петин, Квантовая электроника

социации молекул CF₂HCl в смеси с молекулами

46, 248 (2016).

CF₃Br также значительно снижается (примерно от

19.

G. N. Makarov and A. N. Petin, Chem. Phys. Lett. 323,

1.5-2.0 Дж/см² до 0.2-0.3 Дж/см²). Наблюдена се-

345 (2000).

лективная по изотопам хлора³⁵Cl и³⁷Cl диссоци-

20.

Г. Н. Макаров, А. Н. Петин, ЖЭТФ 119, 5 (2001).

ация молекул CF₂HCl с коэффициентом обогащения

21.

G. N. Makarov and A. N. Petin, Chem. Phys. 266, 125

в остаточном газе K_enr(³⁵Cl/³⁷Cl) = 0.90 ± 0.05. По-

(2001).

лученные результаты дают основание полагать, что

22.

Г. Н. Макаров, С. А. Мочалов, А. Н. Петин, Кванто-

обнаруженный эффект распространяется также и на

вая электроника 31, 263 (2001).

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 3 - 4

2020

232

Г. Н. Макаров, А. Н. Петин

23. Г. Н. Макаров, УФН 173, 913 (2003).

Gasdynamics, ed. by P. P. Wegener, Marcel Dekker,

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

N.Y. (1974).

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

34. Я. Б. Зельдович, Ю. П. Райзер, Физика ударных волн

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

и высокотемпературных гидродинамических явле-

ний, Наука, М. (1966).

J. Mol. Spectrosc. 91, 80 (1982).

35. Е. В. Ступоченко, С. А. Лосев, А. И. Осипов, Релак-

26. W. Fuss, Spectrochim. Acta A 38, 829 (1982).

сационные процессы в ударных волнах, Наука, М.

27. M. Snels and G. D’Amico, J. Mol. Spectrosc. 209, 1

(1965).

(2001).

36. R. Kadibelban, R. Ahrensbotzong, and P. Hess,

28. A. Pietropolli Charmet, P. Stoppa, P. Toninello,

Z. Naturforsch. 37a, 271 (1982).

A. Baldacci, and S. Giorgiani, Phys. Chem. Chem. Phys.

37. V. Tosa, R. Bruzzese, C. De Listo, and D. Tescione,

8, 2491 (2006).

Laser Chem. 15, 47 (1994).

29. D. M. Cox and J. Elliot, Spectrosc. Lett. 12, 275 (1979).

38. D. S. King and J. C. Stephenson, Chem. Phys. Lett. 66,

30. J. G. McLaughlin, M. Poliakoff, and J. J. Turner, J. Mol.

33 (1979).

Struct. 82, 51 (1982).

39. Энергии разрыва химических связей, потенциалы

31. В. Н. Лохман, Г. Н. Макаров, Е. А. Рябов, М. В. Сот-

ионизации и сродство к электрону, ред. В. Н. Кон-

ников, Квантовая электроника 23, 81 (1996).

дратьев, Наука, М. (1974).

32. А. В. Евсеев, А. А. Пурецкий, В. В. Тяхт, ЖЭТФ 88,

40. M. Drouin, M. Gauthier, R. Pilon, P. A. Hackett, and

60 (1985).

C. Willis, Chem. Phys. Lett. 60, 16 (1978).

33. J. B. Anderson, Molecular beams from nozzle sources,

41. R. S. Karve, S. K. Sarkar, K. V. S. Rama Rao, and

in Gasdynamics, Molecular Beams and Low Density

J. P. Mittal, Appl. Phys. B 53, 108 (1991).

Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 3 - 4

2020