Устройство для разделения нейтральных частиц

 

ОП ИСАНИ Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К ГЗАТЕНТУ

„„ 657734

Союз Советскнх

Соцмалмстммаских

Республик (61) дополнительный к патенту (22) Заявлено 29.1 1 .72 (2l) 1 498472/ (51)

/.1848908/1 8-25 (23) Приоритет 09 12.70(32) 1 5.1 2.69

Гаеудврстеенний каатет

СССР ае делам нзебретеннй н еткритнй (31) 885070 (331 США

Опубликовано 15.04.79.Бюллетень % 14

Дата опубликования описания18.04.79 (53) УДК 621.375 (088,8) Иностранец

Артур Ашкин (США) (72) Автор .. изобретения

Иностранная фирма

"Вестерн Электрик Компани Инкорпорейтед (США) (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к устройствам для разделения нейтральных частиц с помощью давления, излучения частиц, имеющих возможность свободно перемещаться по отношению к окружению, принцип дей- 5 ствия которых основан на открытии, заключающемся в том, что один или более лучей оптического излучения может иметь частоту, форму отклонения или интенсивность, избранную для регулируемого воз- щ действия светового давления на частицу, которое предполагает силу земного притяжения этих частиц, а также эффекты столкновения атомов и молекул и которое преодолевает фотофорезное взаимодейст- 15 вие частиц и их окружения, вызванное эффектом нагревания указанных частиц их окружением. Приводимые в настоящем изобретении результаты воздействия светового давления на движение частицы 20 включают регулируемое нагревание часг тиц для получения точечного источника светового излучения черным — телом, бомбардировку цели этими частицами, ускорение частицы с помощью очень высокой энергии, сильно сфокусированное ускорение нейтральной частицы, отделение изотопов, откачку газа, разделение частиц по размеру, инверсию населенности, основанная на разделении возбуждающих частиц с помощью светового давления,.вакуумное отражение тонких пленок из ультрачистых частиц, регулируемых выпариванием (удерживают их световым давлением), испытание на растяжение материалов, основанное на эффекте светового давления с круговой поляризацией света, улавливание нейтральных газов без примесей, разделение и отклонение молекулярного луча, измерение ускорения для инерционного наведения и измерение очень низких давлений газа.

Изобретение относится к управляемому использованию эффектов светового давления на частицы, свободно перемешающиеся относительно их окружения, особенно нейтральные частицы.

657734

Радиометрические силы и фотофорез, в частности, обычно на несколько порядков выше силы светового давления. Лаже в типичном опыте с яазерным источником света фотофорез обычно совершенно 5 подавляет световое давление (1 .

Известно много способов и устройств для улавливания и ускорения заряженных частиц, например синхротрон, но не известно действительно эффективного способа для получении подобных результа:тов с нейтральными частицами.

Обнаружено, что маленькие частицы, молекулы и атомы, свободно перемещающиеся по отношению к их окружению, могут быть уловлены в устойчивых оптических потенциальных ямах или ускорены управляемым образом при использовании только силы светового изпучения из источника оптического излучения с определенной частотой, формой и интенсивностью. Изобретение включает первое наблюдение за ускорением таких частиц силами светового давления от видймого ла2$ зерного света, Опыты, проведенные на частицах с размером порядка микрон, в жидкостях и газе, позволили получить новые данные о природе сил светового излучения и позволили обнаружить существование устойчивых оптических потенциальных ям, в которых такие частицы улавливались только одним световым давлением.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что уст ройство для разделения нейтральных частиц имеет три камеры, последовательно расположенные на общей оси, первая из которых выполнена с источником оптического излучения и с фокусирующим элементом, установленными на той же оси, и вакуумный насос, соединенный с первой камерой, при этом вторая камера выполнена с поперечным сечением, меньшим поперечного сечения двух других камер и соответствующим поперечному сечению сфокусированного пучка оптического излучения, а в третьей камере установлены анод и катод, соединенные с источником постоянного тока.

В экспериментах, осуществленных по данному изобретению, такие радиометрические эффекты, как фотофорез, были усустранены подачей относительно прозрачных частиц в относительно прозрачную среду или ввакуум, или контролем нагрева частиц, обладающих частичной погпотительной способностью. В значительной степени удалось избежать вредных тепловых эффектов при плотностях энергии, превышаюших в 1000 раз плотность частиц в приведенной работе(11.

В соответствии с другими аспектами предлагаемого изобретения целесообразно использовать эффекты светового излучения, контролируя нагрев частицы или тепловое взаимодействие частицы и ее окружения, даже когда тепловые эффекты не полностью отсутствуют. Например, в устройстве, принцип действия которого основан на этом аспекте изобретения, может быть использован высокоинтенсивный точечный источник светового излучения черным телом, применяющийся в спектрометре.

Различные частные аспекты настоящего изобретения частично вытекают из признания большой силы, развиваемой световым давлением из когерентного источника света в противоположность некогерентному источнику света, а также из признания множества возможных применений светового давления при условии исключения или регулирования подходящим образом мешающих тепловых эффектов.

В частности, быпо обнаружено, что во всех аспектах настоящего изобретения предпочтитепьно создавать такое окружение вокруг нейтральных частиц или частицы, при котором тепловые эффекты впияют на движение частицы в значительно меньшей степени, чем эффект светового давления, В соответствии с одним дополнительным аспектом настоящего изобретения, по крайней мере, два луча монохроматического когерентного расходящегося света подаются в область взаимного пересечения или наладки для улавливания частиц в этой области.

В соответствии с другим дополнительным аспектом настоящего изобретения, другой пучок монохроматического когерентного света направляется.: на захваченную частицу для ее ускорения из зоны захвата в направлении к подходящей цели. Таким образом, такое ускорение частиц как бы модулирует движение микрометеоритов в космическом пространстве и микрометеоритов, которые падают на землю, а также может быть использовано для ускорения химических реакций высоких энергий или для образования сигналов определенных типов.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого устройства для разделения

657734 нейтральных частиц — изотопов в газовой фазе; ка фиг. 2 — блок-схема нового лазерного источника света, в котором возбужденные частицы разделяются с помощью светового давления, Устройство (фиг. 1 к 2) содержит три камеры 1 — 3, последовательно расположенные на общей оск, первая кз которых выполнена с источником 4 оптического излучения и с фокускрующкм элементом (линзой) 5, установленными на той же оси, и вакуумный насос 6, соединенный с первой камерой 1. При этом вторая камера с сужением 2 выполнена с поперечным сечением 7, меньшим поперечного сечения двух других камер и соответствующим поперечному сечению сфокусированного пучка оптического излучения, а в третьей камере 3 установлены анод 8 и катод 9, соединенные

Ф с источником постоянного тока 10.

Принципы взаимодействия давления излучения с атомами и молекулами в резо.нансе могут быть использованы в работе

:оптического газового насоса, который может работать при значительных давлениях газа и который может превзойти самые современные ультрапентробежные и диффузионные методы разделения изотопов. Такое устройство для разделения изотопов, которое можно было бы назвать газовым насосом, изображено на фиг. .

В нйстоящем примере показана конфигурация вакуумной камеры потому, что ее форма способствует успешному удержанию изотопов, преднаэначежых для заключения в области 13 вакуумной камеры 1. Смесь 12 двух молекулярных газов, включая различные изотопы одних и тех же элементов, например углерсдных или водородных изотопов двух видов

CH3F первоначально заключается в обпасти 11 с помощью, например, клапана (не показан), установленного в первом сужении 2, который может быть легко открыт, когда лазерный источник 4- включен.

В вакуумной камере 1, т.е. вобластях

О> Ь, с, и d установлены линзы 5 соответственно, которые фоксируют луч резонансного излучения из источника 4 . так, ч то луч полностью заполняет суженные части между указанными широкими частями камеры. Частота света из источника 4 выбирается для взаимодействия с резонансным превращением излучения молекул углерода или водорода в одном кэотопе, например С, которое отличается по частоте от сравнимого превращения другого изотопа, например C

Необходимо отметить, что величина разности этих частот зависит от содержа5 ния изотопов в молекулах. Например, источник 4 мог быть лазером на двуокиси углерода. С настраиваемым по частоте лазером в этой области спектра несколько вращаюшихся уровнек избранных образиов СН могут накачиваться одновременно для увеличения эффективности. После некоторого периода работы все молекулы одного образца будут заключены в области.11, в то время как молекулы других образцов проникнут через луч вокруг линз и будут удалены вакуумным насосом 6. Аналогично, изотопы водорода, включая обычный водород, дейтерий

- или тритий, могут разделяться в этом

20 устройстве, используя СН5Р и 9,6 мккронный лазер на двуокиси углерода или настраиваемый лазер в этой области спектра.

Для сокращения продолжительности верхних состояний переходов резонансного излучения столкновением со стенками без введения бу4 moro газа в сужении 2 располагается мн,".гоканальная металли39 ческач конструкция (не показана). Эта конструкция npo» cKaez большу.:o»acerb светового луча.

В качестве еще одного примера использования такого устройства как газовый

35 насос, все области камеры 1 первоначально заполняются парами натрия прк

Т-510 К, первоначальное давление котоФ рого Рр10 Торр (3,4x10 атомсв на кубический сантиметр) и в качестве демпфера газообразный гелий прк давлении равном 30 1орр. Прозрачная тру-бка насоса дпккой L""20 сантиметров, диаметром 2® = 10 см равномерно ос« о вешается светом лазера, настроеннот о

45 на линию Й натрия с левой стороны.

Рассмотрим. сначала простой случ и с низкой обшей оптической мощностью Р низким давлением натрия и без буферного газа.

Истощением и насыщением света можно пренебречь. Большинство атомов находится в основном состоянии. Средняя сила, действующая на атом, paaка РЗт/С т о

2 и примерно постоянна вдоль светового

55 луча насоса. Обозначим критическое расстояние через 3(кр. Это расстояние, проходимое атомом при потере его средней ки |етической энергии — m V cp.

2

Таким образом, )"$„=1/2 лЧ кт, КоХр.

7 657734 лебание давления в газе с постоянной и силой является показательным. У

} }I/êò -х/х н

Таким образом: p(x)=p g =PE Р (1) 2

X м/ СКТ

Ь кр р /„=

Рассмотрим пример с повышенной энергией и давлением. 10

Стадия насыщения. Выравнивание населенности происходит между верхним и нижним энергетическими уровнями атомов и линии, расширенной эффектом доппера, шириной Ь в пределах естественной 3$ ширины линии а центральной линии.

Т.е. "дырка сгорает в линии поглоще ния, и энергия проникает глубже в трубку. Поглощение имеет место даже при насы щении благодаря постоянному спонтанному излучению из верхнего энергетического уровня. Средняя сила на атом также нвсышается и является постоянной по всей длине трубки за исключением случая увеличения мощности, когда увеличивается

25 эффект накачки на значительно возрастных энергетических уровнях. Величина насьпцения силы равна(й/ ) Х

«(5g /Ет } где Е еетеетееееее и и 39 продолжительность существования верхнего энергетического уровня.

И, наконец, назначение буферного газа заключается в увеличении числа столкновений. При столкновениях в средней насыщенной силе 1/Е и заменяется { E„+

+ jg ) и Ь g -заменяется (Ьу„, +

); где p " = 4 ФЯ. является ц ь Ч1. Я 4 ширйной Лорентса.

Произошло в основном полное разделение, что требует общего числа фотонов в секунду равного 2R V40 Х„ 1ф)Е„+

+ "/Я 1,7 х 10 фотонов в секунду, что примерно равно 6 Вт. В условиях насыщения улавливание распространенного света незначительно. Почти вся падаюшая энергия уходит иэ газа без выделения тепла. Эта технология применена для любой комбинации газов. Даже разные изотопы одного и того же атома могут быть разделены благодаря изотспическому смещению резонансных линий.

Буферный гаэ эффективно уменьшает продолжительность существования верхнего энергетического уровня резонансного ерехода излучения натрия и значительно вепичивает среднюю силу, действующую в атом.

Изотопное разделение давления излучения также возможно, когда изотопы находятся в атомарной форме, а также когда они соединены в виде молекул, как, например; форма углеводорода, описанная выше. B качестве изотопов, легко подаюшихся разделению, можно привести изотопы калия, К и К, особенно обычный

ЬЧ изотоп. К имеет линии резонансного из а пучения при 0,7699 и 0,7665 каждая из которых применима для достижения поставленной . цели т.е. когерентный свет с длиной волны, равной одной из, укаэанных выше, подается в устройство, подоб-» ное устройству, изображенному на фиг.1, в то время как более редкие изотопы К из-за смешения частоты в его соответЪ ствуюшей пинии резонансного излучения будут выходить из области 11 и собираться в вакуумном насосе 6 или непосредственно перед насосом 6, Типичное смещение таких резонансных пиний измерения для К и К4 будет порядка нескольких 10 Гц. Это смещение в линии резонансного излучения достаточно цпя того, чтобы сильно уменьшить силу давления излучения на более редкий изотоп. Дпя осуществления такой конструкции очень желательно, чтобы для генерирования когерентного света с нужной длиной световой волны использовался регулируемый когерентный оптический источник света. Для этой цели наиболее подходяшим является регулирующий параметрический генератор, в котором используется активный кристалл бариево,натриевого ниобвта, накачиваемый Арго ,новым ионным лазером. Если непрерывное генерирование света не является целесообразным, то достаточно быстро-импупьсйого генерирования.

Значительное увеличение поперечного сечения атома для резонансного взаимодействия с лазерным лучом с фотонной энергией подходящей дпя перехода атома, позволило использовать давление излучения для инверсии населенности в сравнительно коротковолновых газообразных системах .

Такая система представлена на фиг.2, Емкость 3 газообразной среды 11, имеющая коротковолновые переходы на энергетических уровнях, которые значительно выше основного состояния, присоединена к вакуумной камере 1, газ из которой

65773 1

Фиг f откачен с помощью вакуумного насоса о.

Газообразная среда 11 возбуждается разрядом постояяюго тока из электрического источника 10, соединенного между анодом 8 и катодом 9 на противопо- 5 ложных концах резервуара 3.

Для генерирования высокой температуры в среде 11 резервуара 3 без необходимости осуществления инверсии населенности могут использоваться тепловые, химические и другие средства, Для облегчения инверсии населенности в среде 1 1 производится накачка давлением излучения части среды 11 с неинверсированной населенностью (часть с основным состоянием), что осуществляется с помощью лазерного источника 4 непрерывного излучения, например лазера, настроенного на главные переходы (переходы резонансного излучения) иэ основного состояния, Луч света иэ источника 4 фокусируется линзами 5, в результате " чего он эффективно заполняет плошадь поперечного сечения сужения 2 вакуумной камеры.

Часть среды 11, инверсироввнной населенностью, не вступает в резонансное взаимодействие с лучом из источника 4 и диффуэирует в направлении линзы 5.

Поперек сужения 2 расположен оптичес-30 кий резонатор в оптимальном осевом положении в смысле плотности инверси- рованных положений и их ожидаемой продолжительности существования. Бля того, чтобы не затемнить рисунок нв нем показан только задний отражатель 13 этого резонатора. Передний отражатель (не показан) может быть частично проводящим ток. так что полезный выходной луч вы о сокой энергии отражается в направлении, которое находится вне плоскости черт жв (фиг.2) . Предполагается, что инверсии населенности могут быть осуществлены нв коротких длинах волн, таких квк ульч рвфцолетовые.

Использованные молекулы будут или выкачены обратно в резервуар 3 давлением излучения или удалены вакуумным насосом 6. Несколько использованных молекул могут быть вновь возбуждены до верхнего лазерного уровня источником

4, все еше находясь в пределах резонатора, и опять стать частью инверсироввнной населенности в резонаторе.

Формула изобретения

Устройство для разделения нейтральных частиц, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что оно содержит три камеры, последовательно расположенные на общей оси, первая из которых выполнена с источником оптического излучения и фокусирующим элементом, установленным на той же оси, и вакуумный насос, соединенный с первой камерой, при этом вторая камера выполнена с поперечным сечением, меньшим поперечного сечения двух других камер и соответствующим поперечному сечению сфокусированного пучка оптического излучения, а в третьей камере установлены анод и катод, соединенные с источником постоянного тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Мей А. Д. Журнал прикладной физики, т. 38, с. 5290, 1967.

Фив. 2

Составитель Н. Алимова

Редактор И. Шубина Техред М. Петко . Корректор С. Патрушева

Заказ 1 638/63 Тираж 876 Подписное

IIHHHHH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4