Сублимационная очистка 99Мо методом лазерного сканирования

министерство образования и  науки российской федерации

ОЗЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ - филиал

Федерального  государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский  ядерный университет «МИФИ»

(ОТИ НИЯУ МИФИ)

 

Кафедра химии и химической технологии

 

Допускается к защите

Зав. кафедрой

канд. хим. наук, доцент

В.П. Медведев

«___»__________2013 г.

 

 

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

 

на  тему «Сублимационная очистка ⁹⁹Мо методом лазерного сканирования»

 

Пояснительная записка

ОТИ НИЯУ МИФИ. 240601.005.ПЗ

 

 

 

Руководитель _______________________________	Ю.А. Занора
Рецензент___________________________________ Кандидат техн. наук	И.А. Истомин
Разработал __________________________________	К.В. Есина

 

 

 

 

 

 

Озерск 2013 г. 

министерство образования и  науки российской федерации

ОЗЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ - филиал

Федерального  государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский  ядерный университет «МИФИ»

(ОТИ НИЯУ МИФИ)

 

Кафедра Химии и химической технологии

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНУЮ РАБОТУ

 

 

 

 

 

Фамилия, имя, отчество дипломанта: Есина Ксения Вячеславовна

Индекс  группы: 1ХТ-67Д

Руководитель  дипломной работы:

руководитель  группы ЦЗЛ ФГУП «ПО «Маяк»

Занора  Юрий Алексеевич

 

 

 

 

 

 

 

Озерск 2012 г.

 

1 Наименование темы: Сублимационная очистка молибдена-99 методом лазерного сканирования

 

2 Исходные  данные к работе: установка для нанесения соли молибдена на подложки из металла, включающая устройство из тефлона, электрическую плитку открытого типа, вакуумную систему фильтрации и холодильник с ловушкой; устройство для сублимации и десублимации молибдена и сопутствующих примесей; результаты количественных экспериментов, проведенных на базе ООО «Лазерный центр» г. Санкт-Петербург

 

3 Содержание  работы:

 

а) литература и обзор статей, связанных с  работой: описание устройства, принципа действия, основных типов лазеров; обзор литературных статей по основным аспектам использования лазерных установок в промышленности; описание свойств молибдена, поведения, основных способов получения; обзор технологий сублимации и десублимации

 

б) расчетно-конструкторская, теоретическая, технологическая часть:   отсутствует                                                                                                  

 

    в)  экспериментальная часть:

 

• подготовка установки и нанесение соли молибдена на подложки из металла;
• испытание на способность раствора равномерно испаряться и высаживаться в виде соли на ограниченной поверхности;
• изучение характера распределения примесных элементов раствора по частям установки, обработка результатов эксперимента;
• качественные эксперименты по выяснению возможности перехода соли молибдена на поверхность холодильника за счет кратковременного воздействия высоких температур;
• обработка результатов серий экспериментов по сублимации и десублимации молибдена, полученных на лазерной установке «Минимаркер-2»

г) технико-экономическая часть: отсутствует                                                   

 

  д) техника  безопасности: основные требования; ознакомление с вопросами обеспечения техники безопасности при работе с лазерами; правила пожарной безопасности при эксплуатации электронагревательных приборов

 

 

4 Отчетный  материал работы:

 

а) пояснительная записка: на 75 листах формата А4

 

б) графический материал (с указанием обязательных чертежей): презентация, выполненная в PowerPoint

 

5 Консультанты  по работе (с указанием относящихся  к ним разделов работы):

литературный обзор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ПОДГОТОВКИ РАБОТЫ

(составляется  руководителем дипломной работы)

 

№, п/п	Наименование этапов работы	Сроки выполнения этапов	Отметка о времени фактического исполнения этапов
1	Изучение  и анализ отечественной и зарубежной научной литературы	06.09.12 – 24.09.12	Выполнено
2	Написание литературного обзора	24.09.12 – 15.10.12	Выполнено
3	Планирование, расчет и проведение серий экспериментов	15.10.12 – 26.11.12	Выполнено
4	Обработка экспериментальных данных	26.11.12 – 03.12.12	Выполнено
5	Оформление  дипломной работы	03.12.12 – 31.12.12	Выполнено
6	Подготовка  доклада и демонстрационного  материала	31.12.12 – 28.01.13	Выполнено
7	Предзащита	28.01.13	Выполнено

 

 

Руководитель  дипломной работы:

руководитель  группы

ЦЗЛ ФГУП «ПО «Маяк», ___________________________ Ю.А. Занора

 

Зав. кафедрой 

канд. хим. наук, доцент ______________________________ В.П. Медведев

 

                                            «____ »_______________ 2012 г.

 

 

Аннотация

Дипломная работа состоит из пояснительной записки на 75 листах и компьютерной графики. Пояснительная записка выполнена на листах формата А4, содержит 14 таблиц, 24 рисунка.

Ключевые  слова: упаривание, тефлоновый реактор, распределение примесных элементов, сублимация, десублимация, селективное разделение, лазерное сканирование.

В работе собрана и испытана в лабораторных условиях установка для подготовки процесса сублимационной очистки молибдена с использованием тефлонового реактора, описана методика упаривания раствора с использованием традиционного нагревательного устройства. Показан количественный характер распределения компонентов раствора по частям установки. На основании полученных данных показана эффективность использования тефлонового реактора для концентрирования соли молибдена на подложке.

В экспериментах  с использованием пламени горелки  показана принципиальная возможность  перехода элементов на поверхность холодильника при высоких температурах проводимого процесса.

На основании  экспериментов, проведенных в ООО «Лазерный центр» г. Санкт-Петербург и полученных данных, построены графики и наглядно отображены результаты по селективному разделению элементов с применением лазерного луча.

Таким образом, анализ проведенных экспериментов от упаривания раствора соли молибдена в тефлоновом реакторе и высаживания её на специально подготовленную подложку, до лазерного сканирования, показал принципиальную возможность использования процесса лазерного сканирования для получения высокочистого препарата ⁹⁹Мо.

Он характеризуется высокими показателями и возможностью автоматизации. Основные достоинства обусловлены уникальными свойствами лазерного луча и нестандартностью подхода к решению задачи.

 

 

 

 

Содержание

 

	Введение	8
1	Литературный обзор	10
1.1	История возникновения лазеров	10
1.2	Индуцированное излучение	11
1.3	Основные свойства лазерного излучения	14
1.4	Устройство и принцип действия лазера	16
1.5	Типы лазеров	18
1.5.1	Газовые лазеры	18
1.5.2	Твердотельные лазеры	19
1.5.3	Полупроводниковые лазеры	21
1.5.4	Жидкостные лазеры	22
1.6	Практическое применение лазеров	24
1.6.1	Применение лазерного излучения в промышленности и технике	24
1.6.2	Применение лазеров в медицине	25
1.6.3	Применение в химии	26
1.7	Молибден	29
1.7.1	История открытия	29
1.7.2	Основные характеристики	30
1.7.3	Поведение	31
1.7.4	Триоксид молибдена	31
1.8	Обзор технологии сублимации и десублимации	33
1.9	Получение 99Мо	35
1.10	Применение технеция в ядерной  медицине	37
2	Экспериментальная часть	39
2.1	Постановка задачи	39
2.2	Разработка конструкции и изготовление установки для нанесения соли на подложку	40
2.2.1	Методика проведения эксперимента	40
2.2.2	Выбор материала устройства для нанесения соли молибдена на подложку	41
2.3	Испытания на способность раствора равномерно испаряться и высаживаться в виде соли на ограниченной поверхности	42
2.4	Результаты эксперимента	45
2.5	Высокотемпературная сублимация молибдена	52
2.5.1	Эксперименты по сублимации с использованием пламени горелки	52
2.5.2	Эксперименты с использованием лазера	55
2.6	Обработка результатов сканирования	58
	Заключение	65
2.7	Общая схема получения 99Мо с использованием лазерного сканирования	67
3	Техника безопасности	68
3.1	Основные требования	68
3.2	Безопасность при работе с лазерами	70
	Список литературы	73

Введение

Использование лазерного излучения как инструмента  взаимодействия с окружающей нас  средой благодаря широкому диапазону  характеристик позволило сделать  большой шаг во многих областях науки и техники.

Лазерное  излучение позволяет сваривать, резать, спаивать различные материалы, причем с качеством швов, намного  превышающим получаемые другими  методами [1].

Благодаря лазерам стало возможным точно  измерять расстояния и определять местоположения объектов [1,2].

Лазерный дальномер используют в системах посадки самолетов, в  подводных системах обзора и даже как миниатюрный локатор для  слепых. Лазер массой в 60 грамм монтируют  в трость, которые используют незрячие. При появлении близкого препятствия  ручка трости начинает слегка подпрыгивать [3].

Использование лазеров в химии позволило  осуществить те реакции, которые было невозможно провести ранее. Подбирая частоту лазерного луча, можно активизировать только те химические связи, энергия разрыва которых совпадает с энергией излучения лазера. Это позволяет ускорять одни химические реакции и подавлять другие [2].

Благодаря лазерному скальпелю резко уменьшается  время регенерации тканей прооперированных органов, тем самым уменьшается время излечения больных [4].

Уникальные  свойства лазерных лучей, позволяющие  сфокусировать их на очень малую  площадь поверхности (до 10^-8 см²), сделали лазер незаменимым при изготовлении элементов микроэлектроники и выполнении операций, требующих высокой точности. Так, лазеры широко применяются при изготовлении и обработке деталей в часовой промышленности.

Названные примеры далеко не полностью  отражают те области науки и техники, где широко и успешно используются лазерные лучи. Но лазер приобрел не только технические профессии [5].

Целью данной работы явилась сублимационная очистка ⁹⁹Мо от сопутствующих примесей методом лазерного сканирования.

 

1. Литературный обзор
1. История возникновения лазеров

Непосредственно история изобретения лазера началась в 1917 г., когда Альберт Эйнштейн теоретически обосновал процесс вынужденного излучения, на котором основывается работа лазеров. Однако это не привело к немедленному созданию лазера.

К 1941 г. Ч. Таунс и его сотрудники создали  устройство, получившее название «мазер». Это устройство предназначалось для усиления СВЧ-сигналов на основе процесса вынужденного излучения.

В 1958 г. Ч. Таунс и А. Шавлов высказали предположение, что явление вынужденного излучения, которое к тому времени уже  нашло практическое применение в  мазерах, может быть использовано также  в инфракрасной и видимой областях спектра. Вначале устройство получило название «оптический мазер». Однако затем это название было заменено более коротким словом «лазер» - сокращенная форма английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе с английского означает «Усиление света путем его вынужденного излучения».

В сущности, лазер представляет собой  источник света, в котором путем  внешнего освещения достигается  возбуждение атомов определенного  вещества. И когда эти атомы  под воздействием внешнего электромагнитного  излучения возвращаются в исходное состояние, происходит вынужденное излучение света [6].

После этого  во многих лабораториях начались работы по созданию лазеров.

 

2. Индуцированное излучение

Согласно планетарной модели строения атома, предложенной английским физиком  Э.Резерфордом (1871-1937), в атомах различных  веществ электроны движутся вокруг ядра по определенным энергетическим орбитам. Каждой орбите соответствует  определенное значение энергии электрона. В обычном, невозбужденном, состоянии  электроны атома занимают более  низкие энергетические уровни. Они  способны только поглощать падающее на них внешнее излучение.

В результате взаимодействия с излучением атом приобретает дополнительное количество энергии, и тогда один или несколько  его электронов переходят в отдаленные от ядра орбиты, то есть на более высокие  энергетические уровни. В таких случаях  говорят, что атом перешел в возбужденное состояние.

Чтобы внешнее электромагнитное излучение  вызывало переход электрона в  возбужденное состояние, его частота  должна совпадать с частотой перехода [7].

Поглощение энергии происходит строго определенными порциями - квантами. Квант световой энергии называется фотоном. Избыточное количество энергии, полученное атомом, не может в нем  оставаться бесконечно долго - атом стремится  избавиться от излишка энергии.

Возбужденный атом при определенных условиях будет отдавать полученную энергию так же строго определенными  порциями строго определенной частоты, в процессе его электроны возвращаются на прежние энергетические уровни. При этом образуются кванты света, энергия  которых равна разности энергии  двух уровней, между которыми совершается  переход. Происходит самопроизвольное, или спонтанное излучение энергии.

При самопроизвольном переходе на нижние уровни электроны хаотично излучают кванты световой энергии на различных  длинах волн, т.е. происходит некогерентное (не согласованное по фазе и направлению) излучение на различных частотах, занимающих довольно большой участок  спектра.

Возбужденные атомы способны излучать не только сами по себе, но и под действием  падающего на них излучения, при  этом излученный квант и квант, «породивший» его, похожи друг на друга. В результате индуцированное (вызванное) излучение имеет ту же длину волны, что и вызвавшая его волна. В этом случае атомы отдают свою избыточную энергию в виде когерентного электромагнитного излучения и все частицы микросистемы колеблются одновременно и в одной фазе. Это излучение занимает очень узкий спектр частот.

Вероятность индуцированного излучения  будет нарастать при увеличении количества электронов, перешедших на верхние энергетические уровни.

Существуют так называемые инверсные  системы атомов, где происходит накопление электронов преимущественно на более  высоких энергетических уровнях. В  них процессы излучения квантов  преобладают над процессами поглощения.

Инверсные системы используются при создании оптических квантовых генераторов  – лазеров [1,8].

В обычной же среде количество атомов вещества в основном состоянии больше, чем в возбужденном. Вещество, предназначенное для лазерной генерации, имеет большинство атомов в возбужденном состоянии.

Для получения  инверсной населенности Н. Г. Басовым  и А. М. Прохоровым был предложен  универсальный метод трех уровней.

В системе, построенной по этому методу, происходят следующие процессы (рис. 1).

Рисунок 1 –Схема трехуровневой системы

 

В результате воздействия на систему достаточно интенсивного поля Е_вн с частотой, равной частоте перехода  между 1-м и 3-м уровнями (ν_1,3), возникают переходы между этими уровнями. В результате происходит уменьшение населенности 1-ого N₁ и возрастание населенности 3-го уровня N₃.

Спустя  некоторое время с этого уровня часть частиц спонтанно перейдет на 1-ый, а другая на 2-й уровень. При  этом скорость перехода частиц с 3-го уровня на 2-й больше скорости их перехода на основной 1-й. В результате на 2-м уровне происходит накопление частиц и населенность его N₂ становится больше населенности N₁ основного уровня. Таким образом, в системе возникает инверсная населенность уровней, необходимая для получения индуцированного излучения.

На 2-м  уровне частицы некоторое время  остаются, а затем начинают возвращаться в основное состояние с излучением световой энергии Е_изл на частоте перехода между 2-м и 1-м уровнями (ν_2,1).

Индуцированное  излучение при этом переходе возникает  вследствие того, что первый же излучаемый фотон создает поле, воздействующее на соседние возбужденные атомы и  вызывающее переход их в основное состояние, во время которого происходит излучение фотонов той же самой частоты [1].

 

 

3. Основные свойства лазерного излучения

Интерес к лазерам обусловлен уникальными  свойствами лазерного излучения, во многом отличными от свойств света, даваемого обычными источниками.

Диапазон  волн лазерного излучения простирается от дальнего ультрафиолетового участка  до дальнего инфракрасного, т. е. от 100 нм до 1 000 мкм и может быть разбит на ряд областей спектра:

 

Рисунок 2 – Основные участки электромагнитного спектра

Лазерное  излучение чрезвычайно монохроматично. Монохроматичный - значит одноцветный. Благодаря этому свойству луч  лазера представляет собой колебания  одной длины волны, например, обычный  солнечный свет - это излучение  широкого спектра, состоящее из волн различной длины и различного цвета. Лазеры имеют свою, строго определенную длину волны [9].

В зависимости от устройства лазера его излучение может происходить  в виде молниеносных отдельных импульсов («выстрелов»), либо непрерывно. Поэтому различают лазеры импульсного и непрерывного действия.

Есть лазеры и со смешанным режимом  работы, например, полупроводниковые  [10].

Второй отличительной чертой лазерного  излучения является его когерентность.

Когерентность, в переводе с английского  языка означает связь, согласованность. А это значит, что в различных  точках пространства в одно и то же время или в одной и той  же точке в различные отрезки  времени световые колебания фотонов  между собой происходят согласованно и по направлению и по фазе.

Когерентность лазерного излучения  обусловливает его строгую направленность - распространение светового потока узким пучком в пределах очень  маленького угла.

Малая величина угла расходимости излучения лазера означает, что энергию можно эффективно собрать даже на чрезвычайно больших  расстояниях от излучателя.

Если сине-зеленый луч лазера направить на поверхность Луны, которая  находится на расстоянии 400000 км от Земли, то диаметр светового пятна на Луне будет не больше 3 км. То есть на дистанции 130 км лазерный луч расходится меньше, чем на 1 м.

Важность направленности состоит  в том, что энергия, переносимая  лазерным пучком, может быть легко  сфокусирована на малой площади.

Если мы попробуем сконцентрировать с помощью собирающей линзы свет обыкновенной электролампочки, то не сможем получить точечное пятно. Это связано  с тем, что преломляющая способность  волн различной длины, из которых  состоит свет, различно, и лучи волн с одинаковой длиной собираются в  отдельный фокус. Поэтому пятно получается размытым [10,11].

 

4. Устройство и принцип действия лазера

В лазере происходит преобразование различных  видов энергии (световой, электрической, химической, тепловой) в энергию лазерного излучения.

Обобщенный  лазер состоит из лазерной активной среды, системы «накачки», источника напряжения и оптического резонатора (рисунок 3).

 

 

Рисунок 3 –  Схема строения лазера

Активная (лазерная) среда — смесь  газов, паров или растворов, кристаллы  и стекла сложного состава. Компоненты активной среды подобраны так, что  энергетические уровни их атомов образуют квантовую систему, в которой  есть хотя бы один метастабильный уровень [12].

Система накачки -  внешний источник, который передает энергию атомам или молекулам лазерной среды, давая им возможность перейти в возбужденное «метастабильное состояние» создавая инверсию населенности.

Используют: воздействие света, электрический  разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы «накачки».

Оптический резонатор — пара зеркал, параллельных одно другому. Одно зеркало сделано полупрозрачным или имеет отверстие, через него из лазера выходит световой луч. Резонатор выполняет две задачи:

1 за счет отражения фотонов в зеркалах он заставляет световую волну многократно проходить по активной среде, повышая эффективность ее использования;

2 производит отбор фотонов, которые перемещаются в нужном направлении.

Зеркала в лазерном оптическом резонаторе должны быть точно настроены для  того, чтобы световые лучи были параллельны  оси [13].

Первоисточником генерации является процесс спонтанного  излучения, поэтому необходимо существование  положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного  излучения. Для этого активная среда  лазера помещается в оптический резонатор.

Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно  проходит по резонатору, вызывая в  нём индуцированные переходы.

Из-за особого  расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые  распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом  расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом, формируется узкий концентрированный луч когерентного света [1].

 

5. Типы лазеров

В зависимости  от вида активной среды лазеры несколько условно можно разделить на типы — твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, в каждом из которых имеются свои особенности, связанные с конструкцией, способом возбуждения и т. п.

1. Газовые лазеры

Лазеры с газообразной активной средой представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров.

 

 

 

 

Рисунок 4 – Схема газового лазера

Поскольку газовая среда весьма однородна, световой луч в ней рассеивается слабо, практически не искажается, не испытывает потерь энергии и на выходе расходится очень мало.

Мощность  излучения газовых лазеров в  зависимости от типа и конструкции  может составлять от милливатт до десятков киловатт [14].

Первый газовый лазер был создан в США в 1960 г. А. Джаваном.

Существующие газовые лазеры работают в очень широком диапазоне длин волн — от ультрафиолетового излучения до далёкого инфракрасного излучения — как в импульсном, так и в непрерывном режиме [15].

В излучении газовых лазеров наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность.

Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме.

Одна из особенностей газа (или смеси газов) — многообразие физических процессов, приводящих к созданию в нём инверсии населённостей.

В основном инверсия населённости достигается путём накачки газа электрическим разрядом. Метод электронного удара применим для возбуждения газовых лазеров, как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Существуют газовые лазеры, в которых используется накачка химическими реакциями, устройствами оптической накачки.

Для работы газовых лазеров обычно требуется  высокое напряжение, часто с высокой  электрической мощностью.

Газовые лазеры могут быть сгруппированы  в соответствии с характером активной лазерной среды:

Нейтральная активная атомная лазерная среда  газа включает гелий-неоновые лазеры и  лазеры на парах меди.

Молекулярные  газовые лазеры используют  молекулы газа. Примерами являются лазер на углекислом газе, лазеры на окиси углерода, лазеры на азоте.

Ионные  лазеры используют свободные ионы, например, гелий-кадмиевый лазер, лазер на ионах аргона и криптона.

КПД для  газовых лазеров (отношение энергии лазерного импульса к электрической энергии питания лампы накачки) составляет от 1 до 15% [14,16].

1.5.2 Твердотельные лазеры

Используют  лазерное вещество, распределенное в  твердой матрице.

Первой  рабочей лазерной средой был кристалл розового рубина легированный хромом, генерирующий красный луч интенсивного света. С тех пор термин «твердотельный лазер» обычно используется для описания лазера, у которого активной средой является кристалл, легированный примесями ионов.

Одним из примеров является неодим – YAG лазер. Термин YAG является сокращением для кристалла: алюмоиттриевый гранат (Y₃Al₅O₁₂)(Nd³⁺), который служит как носитель для ионов неодима.

Кроме того, могут использоваться и другие элементы для легирования, например эрбий (лазеры Er:YAG).

В качестве активной среды используются искусственно выращенные кристаллы и стекла, содержащие ионы редкоземельных или переходных элементов (ионы группы железа), энергетические уровни которых используются для создания инверсии населённостей. Среди них можно выделить группу фторидных кристаллов (LiYF₄(Nd³⁺), LiHoF₄(Nd³⁺) и др.), ниобат никеля NiNbO₃(Nd³⁺) и др. [17].

Твердотельные лазеры – это большие, простые в обслуживании устройства, способные генерировать энергию высокой мощности. Наиболее замечательной стороной твердотельных лазеров является то, что выходная мощность обычно не постоянна, а состоит из большого числа отдельных пиков мощности.

Твердотельные лазеры дают излучение в видимой и близкой ИК-областях спектра.

Степень монохроматичности излучения хуже, расходимость пучка больше, чем в  газовых лазерах.

 

 

 

 

 

Рисунок 5 - Схематичное изображение конструкции твердотельного лазера

Для создания инверсной населённости среды лазера используют облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками (ксеноновые лампы, криптоновые лампы, ртутные лампы высокого давления, галогенные лампы); облучения сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых) [18].