原子蒸气激光同位素分离研究进展综述—(Ⅰ):理论研究

原子蒸气激光同位素分离(atomic vapor laser isotope separation)过程主要包括了金属的原子化过程、蒸气原子中目标同位素原子的激发电离过程和目标同位素离子的引出收集过程。为了深入理解原子蒸气激光同位素分离的机制,本论文综述了目前有关原子蒸气激光同位素分离系统中各子过程的理论研究(特别是数值模拟)方法,包括描述原子化过程中坩埚内部传热与流动特性的流体模型以及液态金属蒸发膨胀过程的蒙特卡洛粒子模拟或基于Bhantagar-Gross-Krood(BGK)方程的动力学方法,描述激光光电离过程的经典速率方程和半经典理论以及离子引出过程的电子平衡流体模型和Monte Carlo粒子模拟方法;综述了采用上述方法研究原子蒸气激光同位素分离过程所取得的主要进展和需要进一步开展的工作,这对今后继续深入开展该领域的研究工作具有一定的借鉴作用。

原子蒸气激光同位素分离研究进展综述——(Ⅱ):实验研究

原子蒸气激光同位素分离是一个涉及多学科领域的复杂过程。为了深入理解原子蒸气激光同位素分离的机制,主要从实验研究的角度综述了目前有关原子蒸气激光同位素分离过程中金属加热蒸发、激光光电离以及离子引出与收集3个子过程的实验研究进展,包括坩埚的材料与结构参数、加热方式、电子枪结构与工作参数以及合金成分等对金属原子化过程、激光器参数对光电离过程以及引出电极结构与外加电压参数、碰撞损失和溅射损失等对离子引出过程的影响规律,简要介绍了最新的离子引出模拟实验装置的发展现状;讨论了目前在上述各过程研究中所取得的主要研究结果,这对于今后进一步深入开展该领域的实验研究工作,包括离子引出模拟实验研究系统的发展具有一定的参考价值。

直接模拟蒙特卡罗法模拟二维平面蒸发亚稳态原子退激过程

在原子法激光同位素分离 (AVLIS)工程中 ,金属受电子束的加热而熔化 ,有一部分原子处于亚稳态能级 ,为了分析在蒸发过程中亚稳态原子退激对原子蒸气的速度、温度等物理特性的影响 ,采用直接模拟蒙特卡罗 (DSMC)法模拟钆原子蒸发过程 ,分析亚稳态原子退激过程对蒸气特性的影响。模拟结果表明 :亚稳态原子退激使得原子蒸气的速度增加 ,温度升高 ;克努森数Kn越小 ,原子间碰撞越频繁 。

激光吸收光谱法实时监测原子蒸气密度

采用固体激光器泵浦环形染料激光器作为光源,通过激光吸收光谱法对钆原子蒸气密度进行实时监测。应用光纤远距离传输提高光路稳定性,采用多步吸收光程技术,并引入参考光消除激光功率不稳定因素影响。实验结果表明:采用该方法建立的原子蒸气密度实时监测系统标准误差约为4%,可为激光同位素分离过程提供可靠数据,从而提高分离效率。

激光致等离子体中离子引出的空间分布特性研究

对于原子法激光分离同位素(AVLIS),离子引出的特性研究具有十分重要的意义。采用YAG脉冲激光的四倍频输出与两平行平面极板间空气相互作用产生等离子体。极板间加几百伏电压,使离子从极板间的等离子体中引出。采用特殊设计的极板结构和实验装置,研究了电荷收集量在极板上的分布。通过对数据的分析,总结了离子引出过程中等离子体扩散效应,并发现离子引出的空间分布与极板间距有关,而与极板间电压基本无关。

变极板间距的平行板离子引出的实验研究

离子引出的研究在原子蒸气法激光同位素分离(AVLIS)工程中具有重要意义,离子引出时间直接关系到整个系统的离子引出效率。平行板静电场法是AVLIS离子引出中最基本的内容。利用由YAG四倍频脉冲激光(266 nm)多光子电离产生的空气等离子体进行离子引出实验,研究离子引出时间的变化规律。通过对实验数据的分析,发现离子引出时间随极板间距增大而增加,随引出电压变大而减小,验证了离子引出时间的经验公式,发现影响离子引出时间更本质的因素是平行板间电场强度。

激光致空气电离的离子引出研究

原子法激光分离同位素(AVLIS)离子引出特性的研究是十分重要的.实验发现,采用YAG激光器四倍频脉冲激光与真空室内平行极板间的空气相互作用,可以电离空气,产生等离子体.在平行板电极施加高压,可以使空气等离子体中的离子引出,最终被负极板收集.通过分析所采集收集的离子引出信号,得到了离子引出的规律.采用数值计算的方法对氮分子的离子引出信号进行模拟,通过与实验得到的离子引出信号进行比较,发现数值计算结果与实验结果能很好地吻合,从而证明可以用数值计算的方法进行简单的离子引出信号分析.进一步分析得到了不同条件下的空气中离子引出信号规律,总结出提高离子效率的方法.并讨论了离子引出时间与极板间电压、等离子体宽度、等离子体密度的关系.

激光分离铀同位素分离器的设计及应用

描述了用DMP－450型镀膜机改造、设计成应用于激光铀同位素分离的分离器装置。选用6000W电子枪作为加热源，产生激光同位素分离实验所需的铀蒸气，对激光与铀原子相互作用区中的铀原子密度进行了估算。讨论了在蒸发中，由多普勒效应引起的话线加宽及热离子等对分离实验的影响因素和排除方法。还对高温下液态铀的强腐蚀性、加热坩埚和屏蔽罩的实验选择等方面进行了有益的探讨。

激光分离^(235)U耐热蒸发容器材料

耐热蒸发容器是高效率原子法激光分离^(235)U分离器中的关键部件。由于高温熔铀特有的化学活泼性和在分离过程中电子束加热产生剧烈的热冲击,使得这类材料的制备具有很高的难度。本文对近年来国外学者在这一材料领域中取得的成果、发明以及研究发展趋势进行了介绍和评述。

计及溅射损失的平行板静电场法离子引出和收集

采用粒子模拟 MonteCarlo碰撞 (particleincell_MonteCarlocollision)方法研究了原子蒸气激光同位素分离工程中一维平行板静电场法离子引出和收集过程 ,记录引出离子的能量分布和角度分布 ,计算离子在收集板上造成的溅射损失 .模拟结果表明 ,增加引出电压可以缩短引出时间 ,降低碰撞损失 ,但是增加了溅射损失 ,使得收集率降低 ;增加电子温度可以缩短引出时间 ,提高收集率 ;增加初始等离子体密度将使引出时间增加 ,收集率降低 ;而目标同位素丰度较高的情况下 ,离子引出过程的碰撞损失率较低 ,收集率较高 .提出了一种平行板静电场的改进方法 ,大大降低了溅射损失 ,提高了收集率 .

考虑碰撞的二维离子引出过程的数值模拟

为研究各因素对原子蒸气激光同位素分离（ＡＶＬＩＳ）中离子引出特性的影响，采用二维流体理论电子平衡模型分析计算了引出过程中外加恒定电磁场和电子温度等因素对离子引出特性（引出时间、碰撞损失率）的影响。粒子间的碰撞主要考虑同位素离子和原子间的共振电荷转移，用碰撞截面来处理。数值计算结果表明，外电场和电子温度对离子引出特性影响较大。外电场强，电子温度高，则引出时间短，碰撞损失亦小。而一定的恒定磁场对引出特性影响很小。

收集板对金属原子二维平面蒸发的影响

为了分析原子法激光同位素分离工程 (AVL IS)分离器中加入精料收集板对原子蒸气密度、速度和温度等物理特性的影响 ,采用直接模拟蒙特卡罗 DSMC (direct-simulation Monte Carlo)方法模拟了铀原子二维平面蒸发动力学过程 ,着重研究了 Knudsen数 K n变化和收集板温度变化对蒸气物理特性的影响。模拟结果表明 :收集板中间 ,蒸气密度增加 ,速度下降 ,温度上升 ;蒸气的 K n越小 ,蒸气的速度越高 ,相对温度越低 ;收集板的温度越高 ,蒸气纵向速度越低 ,温度越高 。

原子蒸气激光法分离钆同位素的偏振选择性实验

对原子蒸气激光法分离钆同位素中的光电离选择性进行了实验研究。分析了在偏振选择定则基础上分离钆奇数同位素的基本原理;测量了电离路径中总角动量J=2→2→1→0变化时的光电离选择性;观察了光的偏振状态改变时光电离选择性的变化,通过控制光阑的大小观测到杂散光引起的光电离选择性降低;进行了外磁场对光电离选择性的影响实验,基本给出了磁场方向和大小对于光电离选择性的影响程度。在外磁场方向垂直于光束的偏振方向时,很微弱的磁场就能引起光电离选择性的降低,磁场大小在2×10-4T时就看到了明显的选择性变化。当外磁场的方向平行光束的偏振方向时,磁场对于选择性的影响就显得相对很小。

铀离子引出的两种静电场方法的比较

为探索用于原子蒸气激光同位素分离 (AVL IS)的简单有效的离子引出方法 ,用二维流体理论电子平衡模型计算比较了 3种静电场方法 :平行板电场法 ,‘Π’型电极法 ,改进‘M’型电极法。计算发现 ,二维流体理论电子平衡模型并不能很好地描述‘Π’型电极法。对另外两种静电场方法 ,计算了不同外加电压、不同的初始原子密度和不同的目标同位素丰度等条件下的离子引出情况。从计算结果可以看出 ,改进‘M’型电极法不论是从离子引出时间还是从碰撞损失率 ,都要比平行板电极法好得多 ;当外加电压较高或初始原子密度较高时 ,这种好处就更加明显。因此 。

激光原子法同位素分离中三维原子分布函数的计算

在激光同位素分离中 ,激光作用区内原子的密度和速度分布对分离过程有重要影响。目前 ,理论上对这个问题的研究还都限于二维情形。该文根据激光同位素分离装置中激光作用区原子密度较低的特点 ,在忽略原子碰撞的条件下给出了一种计算三维空间内原子速度分布函数的方法。利用该方法对小尺度蒸发实验进行计算所获得的结果在定性和定量上都与实验测量符合的很好。

光化学反应中氩气对激发态锂原子猝灭速率研究

本文对光化学法分离中氩气对2P激发态锂原子的碰撞猝灭速率进行研究.在弱激光作用下,通过对不同氩气压强下的锂原子蒸气吸收光谱和激发态锂原子的荧光发射光谱进行测量,得到氩气对2P激发态锂原子的猝灭速率常数为(12.29±0.92)×10-18m3·s-1.实验结果表明:在光化学锂同位素分离研究中,氩气对锂原子2P激发态的猝灭速率远小于2P激发态锂原子的自发辐射速率,碰撞猝灭效应对分离选择性的影响非常小,可以忽略不计.