Способ и устройство для концентрации изотопов кислорода

Способ и устройство для концентрации изотопов кислорода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу концентрации ¹⁷О или ¹⁸О, которые редко существуют как устойчивые изотопы кислорода, посредством реакции фотодиссоциации. Кроме того, настоящее изобретение также относится к способу очистки ¹⁶О посредством удаления ¹⁷О и ¹⁸О способом концентрации.

Приоритет заявлен по заявке Японии №2005-093067, поданной 28 марта 2005 г., содержание которой включено сюда посредством ссылки.

Уровень техники

Существует способ концентрации ¹⁷О или ¹⁸О, который представляет собой изотоп кислорода, использующий фотохимическую реакцию. Этот способ представляет собой способ, в котором озон вырабатывается из кислорода как исходного материала посредством озонатора, полученный газообразный озон отделяется посредством перегонки и отделенный газообразный озон облучается посредством полупроводникового лазера, чтобы обеспечить избирательное разложение желаемых меченых изотопологов, содержащих устойчивый изомер кислорода, как, например, ¹⁷О или ¹⁸О, и посредством этого ¹⁷О или ¹⁸О концентрируется в образованных молекулах кислорода (Патентный Документ №1).

В противоположность этому также был предложен способ, в котором для улучшения эффективности концентрации изотопов кислорода предотвращается спонтанная диссоциация молекул озона, не содержащих изотопов, посредством понижения концентрации озона посредством добавления инертного газа к озону на стадии обработки озона высокой концентрации и предотвращается понижение эффективности концентрации изотопов кислорода (Патентный Документ №2).

Патентный Документ №1: Не прошедшая экспертизу заявка на патент Японии, первая публикация №2004-261776;

Патентный Документ №2: Не прошедшая экспертизу заявка на патент Японии, первая публикация №2005-040668.

Раскрытие изобретения

Проблемы, которые должны быть решены посредством настоящего изобретения

Изобретение, раскрытое в не прошедшей экспертизу заявке на патент Японии, первая публикация №2005-040668, имеет отличительный признак - смешивание по меньшей мере одного инертного газа, выбранного из группы, состоящей из криптона, ксенона и радона, с озоном.

Однако ксенон и радон иногда реагируют с кислородом и производят неустойчивые соединения посредством тихого электрического разряда или облучения ультрафиолетовыми лучами в озонаторе.

Кроме того, когда разделяются недиссоциированный озон и кислород, ксенон и криптон затвердевают в зависимости от рабочих температур и существует возможность увеличения концентрации озона.

Поэтому, когда изотопы кислорода концентрируются с использованием инертного газа, возникает проблема, заключающаяся в том, что такой режим работы ограничивается в зависимости от свойств используемого инертного газа.

Кроме того, для того чтобы сделать длинным средний свободный проход молекул озона и предотвращать столкновение молекул в максимально возможной степени в ячейке фотореактора, рабочее давление предпочтительно является низким, таким как, например, 13 кПа (100 Торр) или менее. Однако, когда озон обрабатывается при низких давлениях, возникает проблема, заключающаяся в том, что количество газа, обработанного на последующей стадии перегонки, уменьшается.

Посредством настоящего изобретения решаются вышеуказанные проблемы и обеспечивается способ и устройство, в котором после разбавления озона газом концентрация озона сохраняется низкой в таком режиме, что инертный газ затвердевает, молекулы озона, содержащие ¹⁷О или ¹⁸О, которые представляют собой устойчивый изотоп кислорода, подвергаются фотодиссоциации стабильно и избирательно, чтобы получить молекулы кислорода, и посредством этого ¹⁷О или ¹⁸О непрерывно концентрируются в молекулах кислорода с высокой эффективностью.

Средство решения проблемы

Для того чтобы решить указанные проблемы, настоящее изобретение обеспечивает способ концентрации изотопов кислорода, содержащий: стадию фотодиссоциации озона, на которой смешанный газ, содержащий CF₄ и озон, облучают светом, чтобы избирательно диссоциировать меченые изотопологи озона, содержащие желаемый изотоп кислорода в озоне, в молекулы кислорода; стадию улавливания для улавливания смешанного газа, содержащего молекулы кислорода, образованные посредством диссоциации озона на стадии фотодиссоциации озона, недиссоциированные молекулы озона и CF₄; и стадию концентрации изотопов кислорода, на которой молекулы кислорода отделяют от недиссоциированных молекул озона и CF₄ в улавливаемом смешанном газе и изотопы кислорода концентрируют в отделенных молекулах кислорода.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, стадия концентрации изотопов кислорода представляет собой разделение перегонкой, которую осуществляют в сосуществовании с CF₄.

Предпочтительно, способ концентрации изотопов кислорода включает перед стадией фотодиссоциации озона стадию образования озона, на которой озон вырабатывают из исходного материала кислорода, и стадию отделения озона, на которой CF₄ добавляют к газу, содержащему озон, выработанному на стадии образования озона, и смешанный газ CF₄-озон, содержащий CF₄ и озон, отделяют от непрореагировавшего исходного материала кислорода, и смешанный газ CF₄-озон, отделенный на стадии отделения озона, подают на стадию фотодиссоциации озона.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, стадию образования озона осуществляют посредством добавления по меньшей мере одного инертного газа, выбранного из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, к исходному материалу - кислороду.

Предпочтительно, способ концентрации изотопов кислорода содержит после стадии концентрации изотопов кислорода стадию диссоциации озона, на которой озон в смешанном газе, отделенный на стадии концентрации изотопов кислорода, разлагают в кислород; и стадию отделения CF₄, на которой CF₄ отделяют от кислорода, образованного на стадии диссоциации озона, и CF₄, отделенный на стадии отделения CF₄, смешивают с озоном, образованным на стадии образования озона, и посредством этого осуществляют рециркуляцию CF₄.

Предпочтительно, способ концентрации изотопов кислорода содержит между стадией концентрации изотопов кислорода и стадией диссоциации озона вторую стадию фотодиссоциации озона, на которой смешанный газ, содержащий недиссоциированные молекулы озона и CF₄, отделенные на стадии концентрации изотопов кислорода, облучают посредством другого света, имеющего длину волны, отличную от длины волны света, облучающего на стадии фотодиссоциации озона, чтобы избирательно диссоциировать другие меченые изотопологи озона, содержащие другой изотоп кислорода, чем меченые изотопологи озона, диссоциированные на стадии фотодиссоциации озона; вторую стадию улавливания для улавливания смешанного газа, содержащего молекулы кислорода, образованные посредством диссоциации на второй стадии фотодиссоциации озона, недиссоциированные молекулы озона и CF₄; и вторую стадию концентрации изотопов кислорода, на которой молекулы кислорода отделяются от недиссоциированных молекул озона и CF₄ в улавливаемом смешанном газе, и изотопы кислорода концентрируют в отделенных молекулах кислорода.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, свет, используемый на стадии фотодиссоциации озона, представляет собой либо свет вблизи инфракрасного в диапазоне 700-1000 нм, либо видимый свет в диапазоне 450-850 нм.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, длина волны света, используемого для фотодиссоциации озона, находится в диапазоне 991,768-992,684 нм.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, длину волны поглощения озона регулируют посредством наложения электрического поля, когда производится облучение светом на стадии фотодиссоциации озона.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, стадию фотодиссоциации озона осуществляют при низких температурах и низких давлениях.

В способе концентрации изотопов кислорода, предпочтительно, температура, при которой улавливают смешанный газ, составляет 160 К или менее, и смешанный газ CF₄-озон непрерывно затвердевает и улавливается на стадии улавливания.

Кроме того, в способе концентрации изотопов кислорода также предпочтительно, изотоп кислорода, содержащийся в молекулах озона, подлежащих диссоциации на стадии фотодиссоциации озона, является по меньшей мере одним состоящим из ¹⁷О и ¹⁸О.

Кроме того, для того чтобы решить указанные проблемы, настоящее изобретение обеспечивает устройство, содержащее: средство для фотодиссоциации озона для облучения светом смешанного газа, содержащего CF₄ и озон, для того чтобы диссоциировать меченые изотопологи озона, содержащие желаемый изотоп кислорода в озоне, и средство для концентрации изотопов кислорода для отделения молекул кислорода, образованных посредством фотодиссоциации озона, от недиссоциированного озона и CF₄ и концентрации изотопов кислорода в отделенных молекулах кислорода.

Эффекты настоящего изобретения

В соответствии со способом и устройством для концентрации изотопов кислорода согласно настоящему изобретению возможно, чтобы фотодиссоциация озона осуществлялась стабильно, в то же время сохраняя концентрацию озона низкой в режиме, в котором инертный газ затвердевает и ¹⁷О и ¹⁸О непрерывно концентрируются с высокой эффективностью.

Когда стадия образования озона осуществляется посредством добавки по меньшей мере одного инертного газа, выбранного из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, к исходному материалу кислороду, кислород разбавляется инертным газом. Посредством этого, когда кислород отделяется на стадии отделения озона, регулирование расхода кислорода становится проще по сравнению с регулированием расхода небольшого количества кислорода высокой чистоты и обработка улучшается.

Когда способ концентрации изотопов кислорода содержит после стадии концентрации изотопов кислорода стадию диссоциации озона, на которой молекулы озона в смешанном газе, отделенные на стадии концентрации изотопов кислорода, разлагаются, и стадию отделения CF₄, на которой CF₄ отделяется от молекул кислорода, образованных на стадии диссоциации озона, и CF₄, отделенный на стадии отделения CF₄, смешивается с озоном, образованным на стадии образования озона, CF₄, отделенный от смешанного газа, полученного на стадии концентрации изотопов кислорода, рециркулирует на стадию образования озона. Посредством этого CF₄ может быть повторно использован, и эффективность может быть повышена.

Когда способ концентрации изотопов кислорода содержит между стадией концентрации изотопов кислорода и стадией диссоциации озона вторую стадию фотодиссоциации озона, на которой смешанный газ, содержащий недиссоциированные озон и CF₄, отделенные на стадии концентрации изотопов кислорода, облучается посредством света, имеющего длину волны, отличную от длины волны света, облучающего на стадии фотодиссоциации озона для того, чтобы избирательно диссоциировать меченые изотопологи озона в молекулы кислорода, которые являются отличными от меченых изотопологов озона, диссоциированных на стадии фотодиссоциации озона; вторую стадию улавливания, на которой смешанный газ, содержащий молекулы кислорода, образованные посредством диссоциации на второй стадии фотодиссоциации озона, недиссоциированные озон и CF₄; и вторую стадию концентрации изотопов кислорода, на которой молекулы кислорода отделяются от недиссоциированного озона и СF₄ в улавливаемом смешанном газе, и изотопы кислорода концентрируются в отделенных молекулах кислорода. Возможно непрерывно осуществлять фотодиссоциацию меченых изотопологов озона, содержащих различные виды изотопов кислорода, и непрерывно производить концентрацию изотопов кислорода, посредством этого изотопы кислорода эффективно концентрируются.

В способе концентрации изотопов кислорода, когда свет, используемый на стадии фотодиссоциации озона, находится в диапазоне 700-1000 нм, в частности свет вблизи инфракрасного в диапазоне 991,768-992,684 нм или видимый свет в диапазоне 450-850 нм, или когда длина волны поглощения молекулами озона регулируется посредством наложения электрического поля на стадии фотодиссоциации озона, возможно производить эффективно и избирательно диссоциацию меченых изотопологов озона, содержащих желаемый изотоп кислорода, в молекулы кислорода, и изотопы кислорода эффективно концентрируются.

Когда стадия фотодиссоциации озона осуществляется при низких температурах и низких давлениях, поскольку меченые изотопологи озона, содержащие желаемые изотопы кислорода, эффективно поглощают свет, стимулируется избирательная фотодиссоциация. Кроме того, спонтанная диссоциация в молекулы кислорода предотвращается и изотопы кислорода эффективно концентрируются.

Когда температура, при которой смешанный газ улавливается, составляет 160 K или менее, и смешанный газ CF₄-озон непрерывно затвердевает и улавливается на стадии улавливания, смешанный газ, образованный на стадии фотодиссоциации озона, эффективно улавливается и изотопы кислорода эффективно концентрируются.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение, показывающее первый вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение, показывающее второй вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 представляет собой схематическое изображение, показывающее третий вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 представляет собой график, показывающий спектр поглощения молекулами озона.

Объяснение ссылочных позиций

11: стадия образования озона

12: стадия отделения озона

13: стадия фотодиссоциации озона

14: стадия концентрации изотопов кислорода

15: первый проход

16: второй проход

17: третий проход

18: четвертый проход

19: пятый проход

21: вторая стадия фотодиссоциации озона

22: вторая стадия концентрации изотопов кислорода

23: стадия диссоциации озона

24: стадия извлечения CF₄

25: шестой проход

26: седьмой проход

31: стадия улавливания

GO: исходный материал кислород

KG: инертный газ

CF: тетрафторид углерода (CF₄)

RO: исходный материал кислород или рециркулирующий исходный материал кислород

ОС, ОС1, ОС2: кислород, содержащий желаемый изотоп кислорода

OF, OF1, OF2: смешанный газ CF₄-озон

OF3: смешанный газ CF₄-кислород

WO: кислород в смешанном газе (OF3), CF₄-кислород

L, L1, L2: свет, имеющий определенную длину волны

Наилучший способ осуществления изобретения

Ниже настоящее изобретение будет объяснено подробно.

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение, показывающее первый вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением, и конкретно показывает вариант осуществления способа концентрации с использованием устройства, содержащего как единое целое устройство для получения смешанного газа CF₄-озона на предшествующей ступени устройства для концентрации устойчивых изотопов кислорода.

Первый вариант осуществления настоящего изобретения объясняется подробно.

Этот вариант осуществления содержит стадию 11 образования озона, на которой озон образуется посредством тихого разряда из исходного материала кислорода GO или облучения исходного материала кислорода GO светом от ртутной лампы и так далее, стадию 12 отделения озона, на которой исходный материал кислород, содержащий озон, образованный на стадии 11 образования озона, разделяется на озон OZ и исходный материал кислород RO, стадию 13 фотодиссоциации озона, на которой озон OZ, отделенный на стадии 12 отделения озона, облучается светом L, имеющим определенную длину волны в присутствии CF₄, чтобы производить избирательную диссоциацию молекул озона, содержащих желаемый изотоп кислорода, в молекулы кислорода, стадию 31 улавливания, на которой смешанный газ, содержащий кислород ОС, выработанный на стадии 13 фотодиссоциации озона, недиссоциированный озон и CF₄, охлаждается и улавливается, и стадию 14 концентрации изотопов кислорода, на которой кислород ОС, выработанный посредством диссоциации озона, отделяется от недиссоциированного озона OZ для того, чтобы концентрировать изотопы кислорода в кислороде.

Кроме того, установка, содержащая блоки для проведения этих стадий, дополнительно содержит первый проход 15 для введения исходного материала кислорода на стадию 11 образования озона, второй проход 16 для введения кислорода, содержащего озон, образованный на стадии 11 образования озона, на стадию 12 отделения озона, третий проход 17 для введения по меньшей мере одного инертного газа KG, выбранного из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, и четвертый проход 18 и/или пятый проход 19 для введения CF₄ (аббревиатура «CF» на фиг.1), используемого, чтобы разбавлять озон, который предусмотрен на по меньшей мере одной подходящей позиции на стадии 12 отделения озона.

Кроме того, инертный газ KG вводится из третьего прохода 17, как объяснено выше. Введенный инертный газ KG выпускается из установки вместе с исходным материалом кислородом RO после отделения озона на стадии 12 отделения озона. Кроме того, CF₄, введенный из четвертого прохода 18 и/или пятого прохода 19, как объяснено ниже, концентрируется на стороне озона OZ на стадии 12 отделения озона. Поэтому смешанный газ, содержащий CF₄ и озон OZ, подается на стадию 13 фотодиссоциации озона без подачи инертного газа KG.

На стадии 11 образования озона озон может быть образован легко посредством тихого разряда из кислорода, служащего исходным материалом, посредством озонатора или посредством облучения ультрафиолетовым светом от ртутной лампы и так далее. Хотя кислород высокой чистоты, который содержит так мало примесей как, например, азота, как только возможно, предпочтительно используется в качестве исходного материала кислорода, если эти примеси могут быть адекватно отделены, когда разделяются озон и кислород, тогда промышленный кислород, имеющий чистоту приблизительно 99,5%, может также быть использован в качестве исходного материала кислорода.

Кроме того, также возможно, что смесь CF₄-озон предварительно образуется на другой стадии, и смесь CF₄-озон вводится на стадию 13 фотодиссоциации озона. Посредством этого вариант осуществления может содержать только стадию 13 фотодиссоциации озона и стадию 14 концентрации изотопов кислорода без стадии 11 образования озона и стадии 12 отделения озона.

В этом случае кислород, содержащий ¹⁷О или ¹⁸О, сконцентрированный посредством способа концентрации по настоящему изобретению, так же как и кислород, содержащий ¹⁷О или ¹⁸О, сконцентрированный другими способами, может быть использован в качестве исходного материала кислорода. Более того, разделение кислорода, озона и CF₄ легко осуществляется посредством низкотемпературной сухой перегонки или низкотемпературной адсорбции с использованием адсорбента, как, например, силикагеля.

На стадии 12 отделения озона, предпочтительно, исходный материал кислород и смешанный газ CF₄-озон разделяются посредством низкотемпературной сухой перегонки с использованием перегонной колонны. Когда используется перегонная колонна и смесь CF₄-озон - исходный материал кислород охлаждается до определенной температуры в теплообменном устройстве, кислород концентрируется в верхней части перегонной колонны, и озон OZ и CF₄ концентрируются в нижней части перегонной колонны.

Кроме того, режим работы перегонной колонны не ограничен, но предпочтительно, чтобы режим работы был установлен таким образом, чтобы не содержать кислород на стороне озона в максимально возможной степени, поскольку, когда кислород загрязняется озоном на стадии 13 фотодиссоциации озона, концентрация молекул кислорода, содержащих желаемые изотопы кислорода, уменьшается.

Кроме того, азот, аргон или кислород при соответствующей температуре могут быть использованы в качестве источника охлаждения для конденсатора или источника тепла для ребойлера, который представляет собой дополнительное устройство, необходимое для работы перегонной колонны.

На стадии 13 фотодиссоциации озона смесь CF₄-озон, содержащая озон при низкой концентрации, посредством добавки CF₄ облучается светом, имеющим определенную длину волны для того, чтобы производить избирательную фотодиссоциацию меченых изотопологов озона, содержащих желаемые изотопы кислорода в их молекулах.

В соответствии с видами изотопов кислорода и их сочетанием имеются 18 типов вышеупомянутых меченых изотопологов озона, состоящих из ¹⁶О¹⁶О¹⁶О, ¹⁶О¹⁶О¹⁷О, ¹⁶О¹⁷О¹⁶О, ¹⁶О¹⁶О¹⁸О, ¹⁶О¹⁸О¹⁶О, ¹⁶O¹⁷O¹⁷O, ¹⁷O¹⁶O¹⁷O, ¹⁶O¹⁷O¹⁸O, ¹⁷O¹⁶O¹⁸O, ¹⁶O¹⁸O¹⁷O, ¹⁷O¹⁷O¹⁷O, ¹⁶O¹⁸O¹⁸O, ¹⁸O¹⁶O¹⁸O, ¹⁷O¹⁷O¹⁸O, ¹⁷O¹⁸O¹⁷O, ¹⁷O¹⁸O¹⁸O, ¹⁸O¹⁷O¹⁸O и ¹⁸O¹⁸O¹⁸O.

В настоящем изобретении молекулы кислорода, содержащие желаемый изотоп кислорода, образованы благодаря фотодиссоциации посредством облучения смеси этих различных типов меченых изотопологов определенным светом.

Например, когда меченый изотополог ¹⁶О¹⁶О¹⁷О облучается светом, три молекулы кислорода образуются из двух молекул озона в соответствии с формулами реакции, показанными ниже.

Как показано в формуле реакции (1), ¹⁷О, который содержится в молекуле озона, которая была подвергнута фотодиссоциации, либо содержится в образованном «O₂», либо находится в форме «О». Этот «О» немедленно реагирует с другой молекулой озона, чтобы образовать две молекулы кислорода, как показано в формуле реакции (2). В связи с этим ¹⁷О присутствует в одной из трех молекул кислорода, образованных по формулам реакций (1) и (2). Это означает, что ¹⁷О концентрируется в молекулах кислорода, образованных посредством диссоциации молекул озона. Хотя здесь имеется возможность того, что ¹⁷О или ¹⁸О также содержатся в молекуле озона, которая реагирует по формуле реакции (2), вероятность этого чрезвычайно низка, так что этим количеством можно пренебречь.

Энергия диссоциации связи озона составляет 1,05 (eV), и озон диссоциирует посредством поглощения света, имеющего длину волны 1,18 мкм или менее. Известно, что это поглощение света озоном имеет место в диапазонах спектра, указанных ниже.

Спектр поглощения Wulf	700-1000 нм (1,2-1,8 eV)	Вблизи инфракрасного диапазона спектра
Спектр поглощения Chappuis	450-850 нм (1,5-2,8 eV)	Диапазон спектра видимого света
Спектр поглощения Huggins	300-360 нм (3,4-4,1 eV)	Ультрафиолетовый диапазон спектра
Спектр поглощения Hartley	200-300 нм (4,1-6,2 eV)	Ультрафиолетовый диапазон спектра

В этих диапазонах спектра, вблизи длины волны 1000 нм (волновое число: 10000 см^-1) спектра поглощения Wulf, острый пик поглощения, как показано на фиг.4, наблюдается в соответствии с литературой (Journal of Chemical Physics, Vol.108, №13, стр.5449-5475). На фиг.4 показана оптическая спектральная поглощательная способность для света для ¹⁶O₃ (¹⁶O¹⁶O¹⁶O) и ¹⁸О₃ (¹⁸О¹⁸О¹⁸О). Можно понять из фиг.4, что максимальный пик ¹⁶О₃ представляет собой волновое число приблизительно 10081 см^-1 (длина волны: 991,965 нм) и максимальный пик ¹⁸О₃ представляет собой волновое число приблизительно 10076 см^-1 (длина волны: 992,457 нм).

Кроме того, в другом документе «Spectrochimica Acta, Part A 57 (2001), стр.561-579» выполнено определение атрибуции уровня вибрации-вращения на основе экспериментов и расчетов. В соответствии с результатами максимальный пик ¹⁶О₃ представляет собой волновое число 10083 см^-1 (длина волны: 991,768 нм) и максимальный пик ¹⁸О₃ представляет собой волновое число 10073,7 см^-1 (длина волны: 992,684 нм). Таким образом, длина волны, при которой меченый изотополог молекул озона, содержащих ¹⁷О или ¹⁸О, может быть эффективно диссоциирован, расположена между 10073,7 см^-1 и 10083 см^-1, и необходимо понять, что желаемый озон может быть избирательно диссоциирован посредством выбора длины волны в пределах этого диапазона.

Хотя другие пики поглощения могут быть использованы, с точки зрения эффективности диссоциации озона, вышеупомянутый диапазон является оптимальным. В частности, также имеется выгода от такого света в диапазоне спектра вблизи инфракрасного или видимого света, который легче обрабатывать по сравнению со случаем использования света в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Кроме того, если используется ультрафиолетовый свет с высоким уровнем энергии, кроме меченого изотополога озона, который является целью, другие меченые изотопологи озона могут также оканчиваться, так как они диссоциируют, посредством этого понижая эффективность концентрации изотопов кислорода.

В случае недостаточной избирательной эффективности диссоциации в связи с тем, что источник света слегка смещается от желаемой длины волны диссоциации озона, поскольку длина волны поглощения озона может быть смещена с использованием эффекта Старка посредством наложения электрического поля на озон при облучении его светом, длина волны поглощения озоном может быть выполнена в точном соответствии с длиной волны источника света.

Примеры источников света, которые могут быть использованы, чтобы получить свет с этой длиной волны, включают спектр солнечного света, так же как и свет от цветного лазера, способного к оптической накачке посредством InGaAsP полупроводникового лазера или светоизлучающего диода, AlGaInP полупроводникового лазера или светоизлучающего диода, GaAsSb полупроводникового лазера или светоизлучающего диода, CdZnTe полупроводникового лазера или светоизлучающего диода, CdZnSe полупроводникового лазера или светоизлучающего диода, ртутной лампы, YAG лазера, Ar ионного лазера или Kr ионного лазера.

При облучении озона светом свет предпочтительно излучается при низком давлении, например 13 кПа (100 Торр) или менее, для того чтобы удлинять средний свободный путь молекул озона и подавлять столкновения молекул в максимально возможной степени. В результате увеличений ширины поглощения света, вызываемых столкновениями молекул, можно избежать.

Для того чтобы подавлять спонтанную диссоциацию озона, предпочтительно охлаждать не только в течение облучения озона светом, но вдобавок всю установку до низкой температуры в пределах диапазона, например, 100-250 K. В результате, в дополнение к тому, чтобы сделать пики поглощения более острыми, образование кислорода посредством спонтанной диссоциации может быть подавлено, посредством этого обеспечивая возможность улучшения скорости концентрации кислорода, содержащего изотопы кислорода.

В этом случае возможно использовать ячейку фотореактора, снабженную специальным источником света, на стадии 13 фотодиссоциации озона и использовать азот, аргон или кислород при соответствующей температуре как охлаждающий источник для охлаждения ячейки фотодиссоциации.

Давление в установке, содержащей ячейку фотореактора, может быть понижено посредством вакуумного насоса с проходом, который направлен книзу от ячейки фотореактора, или сжижения-сброса давления с использованием сжиженного азота и тому подобного. Давление и температура в установке, содержащей ячейку фотореактора, могут быть отрегулированы в зависимости от режима диссоциации озона в пределах диапазона, в котором не сжижаются или не затвердевают озон и CF₄.

В случае концентрации изотопов кислорода с использованием озона предпочтительно использовать озон, имеющий такую высокую чистоту, как только возможно, принимая во внимание эффективность облучения светом и эффективность концентрации. Однако использование озона высокой чистоты может приводить в результате к проблемам, как, например, понижению концентрации молекул кислорода, содержащих изотоп, как показано ниже.

Реакция фотодиссоциации озона представляет собой реакцию, в которой две молекулы озона производят три молекулы кислорода, как показано в формулах реакции (1) и (2), и она представляет собой экзотермическую реакцию. Поэтому молекулы кислорода, которые получаются посредством диссоциации, иногда имеют большую величину кинетической энергии. Посредством этого, когда концентрация озона является высокой, имеется возможность того, что молекулы кислорода иногда сталкиваются с молекулами озона и производят диссоциацию молекул озона в молекулы кислорода.

Поскольку такое столкновение молекул кислорода происходит не избирательно, имеется возможность того, что желаемый изотоп кислорода содержится в молекулах кислорода, образованных посредством столкновения с молекулами озона, но вероятность этого является чрезвычайно низкой. Поэтому кислород, содержащий желаемый изотоп кислорода, полученный в результате диссоциации посредством облучения светом L1, заканчивается, так как он разбавляется.

Кроме того, когда концентрация озона является высокой, увеличивается возможность контакта озона с металлической поверхностью, имеющей функции катализатора, и его спонтанной диссоциации. Когда большое количество молекул кислорода, которые не содержат желаемого изотопа кислорода, вырабатывается посредством спонтанной диссоциации, поскольку молекулы кислорода загрязняются кислородом, который должен быть отделен на стадии концентрации изотопов кислорода, процент концентрации изотопов кислорода значительно понижается.

Напротив, озон OZ, образованный посредством отделения на стадии 12 отделения озона, разбавляется посредством смешивания с CF₄. Молекулы кислорода, имеющие большую величину кинетической энергии, сталкиваются с CF₄ и рассеивают и теряют свою кинетическую энергию согласно настоящему изобретению. Поэтому необходимо понизить возможность того, что молекулы кислорода, имеющие большую величину кинетической энергии, сталкиваются с молекулами озона, чтобы диссоциировать. Поэтому также необходимо подавлять выработку молекул кислорода, которые не содержат желаемого изотопа кислорода.

Кроме того, поскольку озон разбавляется посредством смешивания с CF₄, также необходимо подавлять спонтанную диссоциацию, вызываемую контактированием озона с металлической поверхностью, имеющей функции катализатора. В связи с этими воздействиями процент концентрации изотопов кислорода может быть повышен.

Кроме того, поскольку CF₄ почти не оказывает влияния на фотохимическую реакцию озона на стадии 13 фотодиссоциации озона, когда озон разбавляется посредством CF₄, желаемые меченые изотопологи озона избирательно диссоциируют посредством фотохимической реакции.

Поскольку смешивание озона и CF₄ может быть осуществлено в любой позиции на каждой стадии, соответствующее количество CF₄ может быть смешано на каждой стадии. Когда низкотемпературная сухая перегонка выполняется на стадии 14 концентрации изотопов кислорода и стадии 12 отделения озона, соответствующее количество CF₄ добавляется в сжиженный озон так, чтобы концентрация озона не была высокой. Однако также возможно добавлять концентрированный CF₄ в газовую фазу, используемую для того, чтобы получить восходящий газ или падающую жидкость, что является необходимым для операции перегонки.

Поскольку смешанный газ, образованный на стадии 13 фотодиссоциации озона, непрерывно улавливается на последующей стадии 31 улавливания, возможно эффективно достигать концентрации изотопов кислорода на последующей стадии 14 концентрации изотопов кислорода.

Улавливание смешанного газа предпочтительно выполняется при 160 К или менее и, более предпочтительно, при от 90 до 160 K, что представляет собой диапазон температур, в котором смесь CF₄-озон представляет собой жидкость.

Как объяснено выше, потеря озона в связи со спонтанной диссоциацией или диссоциацией озона, вызванной столкновением с образованными молекулами кислорода, может быть предотвращена посредством осуществления стадии 13 фотодиссоциации озона в присутствии CF₄.

На последующей стадии 14 концентрации изотопов кислорода молекулы кислорода, содержащие ¹⁷О или ¹⁸О, образованные на стадии 13 фотодиссоциации озона, отделяются от недиссоциированного озона OZ. В течение отделения CF₄ обеспечивает улучшение эффективности отделения. Так как CF₄ действует на стадии 14 концентрации изотопов кислорода таким же образом, как CF₄ на стадии 12 отделения озона, молекулы кислорода, содержащие желаемый изотоп кислорода, могут быть эффективно получены со столь же высокой концентрацией, как кислород ОС.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение, показывающее второй вариант осуществления способа концентрации устойчивых изотопов кислорода в соответствии с настоящим изобретением.

Кроме того, компоненты на фиг.2, которые представляют собой те же компоненты, показанные на фиг.1, имеют те же номера ссылок, как показано на фиг.1. Посредством этого объяснение тех же самых элементов опущено в этом варианте осуществления.

Этот вариант осуществления содержит следующие стадии:

стадию 11 образования озона, на которой озон образуется из исходного материала кислорода GO;

стадию 12 отделения озона, на которой смешанный газ озон-исходный материал кислород, введенный со стадии 11 образования озона и CF₄ (аббревиатура «CF» на фиг.2), введенный из пятого прохода 19, разделяют нарециркулирующий исходный материал кислород RO и смешанный газ OF, CF₄-озон;

стадию 13 фотодиссоциации озона, на которой смешанный газ OF, CF₄-озон со стадии 12 отделения озона облучают светом L1, имеющим определенную длину волны, для того чтобы производить диссоциацию озона, содержащего желаемый изотоп кислорода, в кислород;

стадию 31 улавливания, на которой смешанный газ (смешанный газ, содержащий кислород, содержащий желаемый изотоп кислорода, образованный посредством диссоциации озона, недиссоциированный озон и CF₄) охлаждают и улавливают;

стадию 14 концентрации изотопов кислорода, на которой смешанный газ, уловленный на стадии 31 улавливания, разделяют на кислород OC1, содержащий желаемый изотоп кислорода, и смешанный газ OF1, CF₄-озон, содержащий недиссоциированный озон и CF₄, посредством этого желаемые изотопы кислорода концентрируются в кислороде OC1, содержащем желаемый изотоп кислорода;

вторую стадию 21 фотодиссоциации озона, на которой смешанный газ OF1, CF₄-озон, облучают светом L2, имеющим определенную длину волны, отличную от длины волны света L1;

вторую стадию 22 концентрации изотопов кислорода, на которой смешанный газ (смешанный газ, содержащий кислород, содержащий желаемый изотоп кислорода, который образуется посредством диссоциации озона, недиссоциированный озон и CF₄) из второй стадии 21 фотодиссоциации озона разделяют на кислород ОС2, содержащий другой желаемый изотоп кислорода, и смешанный газ OF2, CF₄-озон, содержащий недиссоциированный озон и CF₄, посредством этого желаемые изотопы кислорода концентрируются в кислороде ОС2, содержащем другой желаемый изотоп кислорода;

стадию 23 разложения озона, на которой озон, содержащийся в смешанном газе OF2, CF₄-озон, разлагают на кислород для того, чтобы получить смешанный газ OF3, CF₄-кислород;

стадию 24 извлечения CF₄, н