Способ изменения изотопного состава металлов
Владельцы патента RU 2448381:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к технологии производства стабильных изотопов, в частности к технологии изменения изотопного состава свинца или индия при зонной перекристаллизации, и может быть использовано для получения ультрачистых стабильных изотопов металлов. Изменение изотопного состава металлов осуществляется с помощью процесса зонной перекристаллизации, в присутствии постоянного магнитного поля напряженностью 1 Тл или 0,3 Тл. Температура нагревательных элементов 400±5°С, температура элементов охлаждения 20±2°С. Изобретение позволяет перемешивать расплав при зонной перекристаллизации металлов для изменения изотопного состава более экономически и технически выгодным способом. 1 табл.
Изобретение относится к технологии производства стабильных изотопов, в частности к технологии изменения изотопного состава свинца или индия при зонной перекристаллизации, и может быть использовано для получения ультрачистых стабильных изотопов металлов.
Метод изотопного обогащения кадмия при совмещении процесса зонной перекристаллизации и импульсного электропереноса описан О.А.Троицким, В.И.Спицыным и В.П.Щедриным (Изотопное обогащение кадмия в процессе импульсного электропереноса и зонной плавки. Доклады академии наук СССР, 1977, том 233, №6). Опыты проводились на проволоках из кадмия чистотой 99,9995%, длиной 350 мм и диаметром 1 мм. Через проволоку пропускали импульсы тока прямоугольной формы, длительностью (30-150)·106 сек, частотой 0,2-2000 Гц и амплитудой до 2000 А. Температура в зоне нагрева поддерживалась 550°C. После 20 проходов зонной перекристаллизации со скоростью 20 мм/мин и частотой пропускаемого через слиток тока 1400 Гц соотношение изотопов 112Cd/106Cd изменилось с 6,06 до 7,81. Основным недостатком данного метода является высокое значение величины используемого тока при электропереносе, что приводит к большим энергозатратам.
О.А.Троицким, В.И.Спицыным и М.П.Глазуновым было исследовано изотопное обогащение цинка в процессе импульсного электропереноса при зонной перекристаллизации цинка (Изотопное обогащение металла в процессе импульсного электропереноса. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1975, том 68, №4). Опыты проводились на проволоках из цинка длиной 350 мм и диаметром 1 мм. Через проволоку пропускали импульсы тока прямоугольной формы, длительностью (30-150)·106 сек, частотой 0,2-2000 Гц и амплитудой до 2000 А. Температура в канале печки составляла 550°C. После 20 проходов зонной перекристаллизации со скоростью 20 мм/мин соотношение изотопов 64Zn/68Zn изменилось с 2,63 до 2,75. Применение данного метода требует высоких энергозатрат.
Изотопное обогащение импульсным электропереносом на цинке, подвергаемом зонной перекристаллизации при электронно-лучевой плавке, описано О.А.Троицким, В.И.Спицыным, В.И.Страшенко (Фракционирование стабильных изотопов в процессе электронно-лучевой зонной плавки цинка, совмещенной с действием электрического тока. Доклады академии наук СССР, 1977, том 236, №6). Опыты проводились на проволоках из цинка чистотой 99,998%, длиной 350 мм и диаметром 1 мм. Исходный цинк имел естественную смесь изотопов. Расстояние от окна ускорителя до проволок составляло 30 мм, площадь пучка была равна S1=16-18 мм2. Величина интенсивности потока электронов равна φ=1015-1016 эл/см2·сек при энергии электронов E=0,6-1,2 МэВ. Источник тока вырабатывал импульсы прямоугольной формы длительностью 1,2·10-4 сек, частотой 1000 Гц и со средней плотностью тока I=400 А/см2. Содержание 64Zn при комбинации электронно-лучевой плавки с действием тока после 80 проходов зоны увеличивается на 9%, соотношение изотопов 64Zn/68Zn становилось равным 2,80, тогда как в исходном цинке это соотношение было равным 2,63. Данному методу, наряду с высокими энергозатратами, присуще дорогое и сложное в эксплуатации оборудование.
Изменение изотопного состава в расплавленных металлах при наложении постоянного тока обусловлено большей подвижностью легких изотопов и меньшей подвижностью тяжелых изотопов металлов, что определяется разницей в их значениях коэффициентов диффузии, связанной с различием масс ядер изотопов. Роль постоянного тока в изменении изотопного состава при зонной перекристаллизации заключается в принудительном перемешивании расплава металла внутри диффузионного слоя, прилегающего к поверхности раздела двух фаз - твердой и жидкой.
Из-за различия в подвижностях тяжелые изотопы концентрируются в катодной части металла, а легкие изотопы из-за большей подвижности перемещаются к анодной части металла, что приводит к изменению изотопного состава металла в слитке (В.Б.Фикс. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках (Электроперенос). М.: Наука, 1969).
Чтобы избежать больших энергозатрат и эксплуатации дорогого, сложного оборудования для изменения изотопного состава металлов при зонной перекристаллизации, процесс перемешивания в расплавленном металле можно осуществлять постоянным магнитным полем. При этом зона плавления будет служить местом, где, с одной стороны, постоянно накапливается изотопное обогащение, а с другой стороны, фронтом кристаллизации фиксируется достигнутое изотопное обогащение металла.
Таким образом, существует потребность в более экономически и технически выгодном способе перемешивания расплава при зонной перекристаллизации металлов для изменения их изотопного состава.
Задачей настоящего изобретения является создание способа изменения изотопного состава металлов при зонной перекристаллизации.
Поставленная задача решается тем, что зонная перекристаллизация металлов осуществляется в присутствии постоянного магнитного поля. Использовались тороидальные и плоские постоянные магниты с напряженностью магнитного поля 1 Тл и 0,3 Тл соответственно. Температура элементов нагрева 400±5°C и элементов охлаждения 20±2°C.
Ниже приведен пример реализации заявленного способа.
Исследования проводили на образцах свинца природного изотопного состава квалификации «чда» и на образцах индия природного изотопного состава марки Ин-00. Свинец помещают в кварцевые трубки диаметром 2 мм, длина образца 100 мм, диаметр 1 мм. Температура в зоне нагрева соответствовала 400±5°C, в зоне охлаждения 20±2°C, скорость движения зоны расплава 3 см/ч, количество ступеней перекристаллизации соответствовало 30. При исследовании влияния магнитного поля в процессе зонной перекристаллизации свинца использовали тороидальные или плоские постоянные магниты с напряженностью магнитного поля 1 Тл и 0,3 Тл соответственно. Эксперименты на образцах индия проводились в аналогичных условиях.
В таблице представлены результаты изотопного анализа свинца и индия после процесса зонной перекристаллизации.
Применение данного способа позволяет избежать высоких энергозатрат, а также использования дорогостоящего оборудования для изменения изотопного состава.
| СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА МЕТАЛЛОВ | ||||||
| Результаты изотопного анализа свинца и индия после процесса зонной перекристаллизации | ||||||
| Изотоп | Содержание, % мас. в начальной зоне перекристаллизации | |||||
| Без магнитного поля | Параллельное магнитное поле | Тороидальное магнитное поле | ||||
| До | После | До | После | До | После | |
| 204Pb | 1,42±0,01 | 1,413±0,008 | 1,42±0,01 | 1,400±0,009 | 1,42±0,01 | 1,070±0,007 |
| 206Pb | 24,93±0,05 | 24,92±0,03 | 24,93±0,05 | 24,68±0,06 | 24,93±0,05 | 24,51±0,01 |
| 207Pb | 21,56±0,04 | 21,56±0,03 | 21,56±0,04 | 21,620±0,008 | 21,57±0,04 | 21,790±0,009 |
| 208Рb | 52,09±0,05 | 52,11±0,04 | 52,09±0,05 | 52,30±0,08 | 52,09±0,05 | 52,630±0,003 |
| 113In | 4,357±0,002 | 4,34±0,02 | 4,357±0,002 | 4,37±0,01 | 4,357±0,002 | 4,54±0,05 |
| 115In | 95,644±0,002 | 95,66±0,02 | 95,644±0,002 | 95,63±0,01 | 95,644±0,002 | 95,46±0,05 |
Способ изменения изотопного состава металлов, включающий зонную перекристаллизацию металла при температуре элементов нагрева 400±5°С и элементов охлаждения 20±2°С, при воздействии на зону расплава постоянного магнитного поля напряженностью 1 Тл или 0,3 Тл.
