Способ изотопической селекции

Способ изотопической селекции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано на практике для разделения изотопов посредством применения метода абсорбционного анализа, применяемого в геологии и археологии. Методы изотопической диагностики, осуществляемые посредством измерения соотношения между концентрациями изотопов, например С¹³ и С¹², могут также использоваться в медицинской практике, при применении неинвазивного (без вторжения в организм) исследования различного рода инфекций, определяющих заболевания различных органов человека.

Известен способ измерения поглощенных интенсивностей в двух спектральных диапазонах, соответствующих полосам поглощения двух компонент среды, имеющей два различных изотопа [1]. При этом регистрация производится с помощью спектрографа. Причем смесь находится в двух различных кюветах и для определения соотношения концентраций изотопов проводятся дополнительные измерения, так как в каждой кювете имеются спектральные фильтры с определенной полосой пропускания.

Способ обладает следующими недостатками:

- использование емкости со стандартной смесью, предварительно уже приготовленной;

- использование сложного спектрографического оборудования;

- большая погрешность измерений;

- малая оперативность.

Известен также способ, реализуемый с помощью устройств, в которых измеряется отношение концентраций двух компонент газовой смеси путем измерения уменьшения интенсивности излучения различных спектральных диапазонов при прохождении через исследуемую газовую смесь [2].

Этот аналог обладает следующими недостатками:

- в нем используется устройство, содержащее несколько оптических каналов, содержащих юстируемые оптические элементы (фильтры, линзы, диафрагмы), что вызывает трудности при настройке устройства;

- используется в качестве излучателя источник, имитирующий своим излучением излучение «черного тела», что требует стабильности при питании вольфрамного элемента;

- невозможность определения концентрации изотопа, когда его содержание в смеси много меньше концентрации другого изотопа.

Известен способ получения высокообогащенного изотопа С¹³ [3], являющийся близким по технической сущности к предлагаемому изобретению и выбранный авторами за прототип. Этот способ включает возбуждение компонент среды (изотопы С¹² и С¹³) электромагнитным излучением, прокачку смеси через разделительный блок, охлаждение смеси и создание циклического процесса, при котором смесь возвращается снова в разделительный блок, с целью обогащения смеси тяжелым изотопом С¹³.

Способ обладает следующими недостатками:

- значительное число ступеней обогащения для определения концентрации тяжелого изотопа С¹³ в случае, когда его концентрация значительно меньше концентрации легкого изотопа С¹²;

- возбуждение смеси происходит для всех компонент смеси, поэтому на результаты регистрации оказывает влияние наличие других молекул с ненужным изотопом;

- большая инерционность процесса.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический эффект, заключающийся в возможности определять концентрацию изотопа С¹³ в случае, когда его концентрация значительно меньше (на два порядка) концентрации другого изотопа С¹². Для этого в среде, содержащей эти изотопы, первоначально уменьшают внутреннюю энергию, осуществляют пространственное разделение компонент среды, одну из компонент среды выводят в виде эффузионного потока, многократно регистрируют реакцию другой компоненты, вызванную электромагнитным излучением длиной волны, попадающей в полосу поглощения этой компоненты в течение времени τ:

τ < L 2 6 Д ,

где L - диаметр входного зрачка оптической системы;

Д - коэффициент диффузии изотопа С¹³ _,

На рис. 1 представлено устройство, реализующее предложенный способ,

где:

1 - колба, содержащая две секции А и В, разделенные друг от друга термоизолятором;

2 - наружная оболочка;

3 - внутренняя оболочка;

4 - пористый материал (пенопласт);

5 - светонепроницаемый теплоизолирующий материал;

6 - теплопроводящий материал;

7 - разделительная ячейка;

8 - мембрана с капиллярами;

9 - окно ввода излучения;

10 - окно вывода излучения;

11 - измерители;

12 - ответвляющий элемент;

13 - оптические пороговые фильтры;

14 - патрубок для запуска смеси;

15 - выходной патрубок;

16 - охладитель (аккумулятор холода);

17 - источник излучения;

18 - сорбент;

19 - область локализации тяжелого изотопа.

Устройство, реализующее способ, содержит две секции А и В, составляющие колбу 1, с внутренней 3 и наружной 2 оболочками. Наружная оболочка покрыта жестким пористым 4, светонепроницаемым и теплоизолирующим 5 материалами, обеспечивающими адиабатичность процессов, происходящих внутри колбы. Объем, ограниченный внутренней оболочкой колбы, которая выполнена в виде емкости из теплопроводящего материала 6 с разделительной ячейкой 7 (входит в секцию А) с мембраной с капиллярами из кварцевого стекла 8, которая расположена у горловины внутри оболочки колбы и разделяет две секции колбы теплоизолирующим материалом (кольцом из тефлона). Между внутренней и внешней оболочками у днища внутренней оболочки находится охладитель (аккумулятор холода) 16, осуществляющий охлаждение смеси газов и устранение фонового излучения. Устройство содержит два диаметрально расположенных окна 9, 10 с установленными в них оптическими пороговыми фильтрами 13 на длину волны, попадающую в полосу поглощения тяжелого изотопа С¹³.

Коэффициент поглощения излучения, а следовательно, концентрация изотопа С¹³, находится в результате сопоставления результатов регистрации двумя измерителями энергии 11, установленными перед этими окнами. Для ослабления энергии источника излучения 17 используется ослабитель в виде оптического элемента 13, обеспечивающего бесплазменное прохождение излучения внутри колбы. В колбе имеются патрубки 14, 15 необходимые для запуска новой смеси и выпуска отработанной. В секции А расположена емкость 18 с сорбентом, обладающим значительной поглощающей способностью.

Рассмотрим работу устройства.

Через патрубок 14 в секцию В запускается смесь, содержащая изотопы С¹³ и С¹² - эти компоненты подчиняются статистике Больцмана. Поэтому плотности молекул каждой из компонент будут определяться в соответствии с формулой

n = n 0 e − m g x / K T ,                                                                                                                                                           ( 1 )

где, n₀ - плотность на высоте x=0;

m - масса частицы;

g - ускорение свободного падения;

K - константа Больцмана;

T - абсолютная температура.

Таким образом, анализ формулы (1) позволяет сделать вывод о том, что более тяжелая компонента убывает с высотой быстрее, чем более легкая. Этот вывод справедлив при исследовании смесей, содержащих как изотопы С¹³ и С¹², так и при исследовании изотопического состава углекислого газа ¹³CO₂ и ¹²CO₂ - обусловленные приемом диагностических препаратов, обогащенных стабильным изотопом углерода С¹³. Использование статистики Больцмана позволяет осуществить первичное пространственное разделение двух (или более) компонент смеси, используя различие в их массах. Дополнительное пространственное разделение может быть обеспечено посредством явления термодиффузии [5], которая возникает в секции 13, заполненной смесью различных изотопов. Разность температур существует между мембраной 8 и областью, в которой установлен контейнер с аккумулятором холода 16. Вдоль оси секции возникают диффузные потоки, поэтому частицы с большей массой (изотоп С¹³) стремятся перейти в более холодные области, а менее массивные (С¹²) - в более нагретые. В результате термодиффузии разность концентраций изотопов определяется выражением

C 1 ( T ) − C 1 ( T 0 ) = K T ln T T 0 ,                                                                                                                                                                                                                 ( 2 )

где

K T = Д T Д 12 - термодиффузионное отношение;

Д_T - коэффициент термодиффузии;

Д₁₂ - коэффициент диффузии.

Таким образом, применение охлаждения смеси способствует эффективной пространственной селекции изотопов. Пространственное разделение компонент смеси и создание механизма эффективного удаления ненужного изотопа и других более легких частиц позволяет уменьшить погрешность измерения концентрации тяжелого изотопа методом абсорбционной спектроскопии. Поэтому для удаления легкой компоненты формируют эффузионный поток благодаря использованию мембраны с капиллярами 8 [5], [6].

Если секции А и В отделены мембраной (пористая перегородка) при разных температурах, а размеры пор малы (~10^-5 см) по сравнению с длиной волны свободного пробега (обычно пористые перегородки удовлетворяют этому условию), то более легкая компонента смеси будет быстрее проходить через пористую перегородку, чем более тяжелая [7].

Более общее уравнение, описывающее эффузионный поток, имеет вид [8].

Q = 4 π R 3 3 L 2 π m ( P 2 T 2 − P 1 T 1 ) ,                         ( 3 )

где R - радиус капилляра;

L - длина капилляра;

m - масса молекулы (изотоп);

P₁T₁, P₂T₂ - давление и температура соответственно в секциях А и В.

Из (3) следует, что эффузионное течение возможно даже при условии в сторону более высокого давления (если корень квадратный из температуры увеличивается сильнее, чем давление).

При равных давлениях истечение происходит в сторону более высокой температуры и нулевой расход наступает при условии

P 1 T 1 = P 2 T 2 .                                                                                                                                                                                                                                                                                               ( 4 )

Равновесное состояние нарушается при введении в секцию В смеси двух изотопов, и в результате в ней реализуется избыточное давление по сравнению с давлением в секции А. Следующий этап заключается в изменении температуры T₁. Для этой цели используется контейнер с аккумулятором холода 16 (содержащий, например, лед) [4].

При переходе вещества из твердого состояния в жидкое необходимо затратить теплоту

Q = λ m ,                                                                                                                                                                                                                                                                 ( 5 )

где λ - удельная теплота плавления льда;

m - масса льда.

Эта теплота, учитывая адиабатичность конструкции, будет взята из внутренней энергии смеси, которая определяется по формуле

U = m μ C V T ,                                                                                                                                                                                                                                                                             ( 6 )

где m - масса газа;

µ - молекулярный вес;

C_V - удельная теплоемкость при постоянном объеме;

T - температура (°C).

Для оценки считаем смесь идеальным газом и, используя соотношения

C ρ C σ = γ ,               C ρ − C σ = R ,                                                                                                                                                                                                                 ( 7 )

где C_ρ - удельная теплоемкость при постоянном давлении;

R - универсальная газовая постоянная.

Получим из (6) и (7), что приращение внутренней энергии изменится при уменьшении температуры на ΔТ.

Δ U = − ρ 0 ν 0 Δ T T 0 ( γ − 1 ) ,                                                                                                                                                                                                                         ( 8 )

где ρ₀, ν₀, T₀ - первоначальные избыточные давление, температура и объем секции В.

Количество отданного тепла смесью равно

Q = − Δ U = ρ 0 ν 0 Δ T T 0 ( γ − 1 ) .                                                                                                                                                                                                                             ( 9 )

Из (5) и (9) следует

Δ T = λ m T 0 ρ 0 ν 0 ( γ − 1 ) .                                                                                                                                                                                                                                                     ( 10 )

Это соотношение характеризует уменьшение температуры Т₂ на ΔТ (формула (3)).

При λ = 330   Д ж 2 , m=1 г,

T₀=300 K, γ=1,3,

ρ 0 = 2 ρ а т = 2 ⋅ 10 5   н м 2 ,

ν₀=3 л=3·10^-3 м³.

Δ T = 50   K .                                                                                                                                                                                                                                                                                                       ( 11 )

Формулы (8-11) позволяют определить массу хладоагента, необходимого для создания эффузионного потока через мембрану. Однако конструктивные элементы секции В тоже должны иметь температуру смеси, находящейся в этой секции. Для оценки потерь хладоагента вследствие охлаждения конструктивных элементов секции В считаем, что она имеет вид шарового слоя с внутренним радиусом R и толщиной ΔR. Тогда

4 3 π R 3 = ν 0                                                                                                                                                                                                                                                                                                   ( 12 )

и 4πR²dR=dν₀, умножив обе части уравнения на ρ_пл (ρ_пл - плотность материала стенки, выполненной из пластика), получим

4 π R 2 d R ρ п л = d ν 0 ρ п л = M ,                                                                                                                                                                                                                                               ( 13 )

где М - масса шарового слоя;

Учитывая, что

R = 3 4 ν 0 π 3 ≈ 10   с м                                                                                                                                                                                                                                                         ( 14 )

при V=3 л=3 дц³=3·10^-3 м

получим из (13)

M = 2,2   2 с м 3 ⋅ 4 π ⋅ 100 ⋅ 0,2 = 600   г .                                                                                                                                                                                                   ( 15 )

И уравнение баланса для охлаждения стенок секции В будет

C ν M ( T 2 − T 1 ) = λ m                                                                                                                                                                                                                                                     ( 16 )

при

М=600 г

ΔТ=18

λ=330

m=33 г

Таким образом, при использовании льда в качестве хладоагента необходимо, чтобы масса его составляла около 34 г. Однако, если использовать поваренную соль (NaCl) со снегом [5], то можно достичь более эффективного охлаждения.

Таким образом, возможно создание эффузионного потока при условии

ρ 2 T 2 > ρ 1 T 1 .