Оптимальна лазерно-фотоіонізаційна схема розділення складних ізотопів в сепараторних приладах

Автор(и)

  • О. В. Глушков Одеський державний екологічний університет, Ukraine
  • О. Н. Софронков Одеський державний екологічний університет, Ukraine
  • Ю. В. Дубровська Одеський державний екологічний університет, Ukraine
  • Т. О. Флорко Одеський державний екологічний університет, Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.18524/0367-1631.2023.61.292231

Ключові слова:

поділення важких ізотопів, метод селективної лазерної фотоіонізації атомів, квантові моделі елементарних атомних процесів збудження та іонізації, вузькі автоіонізаційні резонанси, моделі оптимального керування, ізотопи гадолінію

Анотація

Запропоновано ефективний підхід до визначення параметрів оптимальних схем лазерної фотоіонізації  важких ізотопів (як приклад розглянуто атоми Gd)  з іонізацією на останній  стадії  імпульсним електричним полем, автоіонізацією через вузькі автоіонізаційні резонанси, або за рахунок зіткнень для поділення ізотопів в сепараторних пристроях. На основі теорії оптимального управління і розроблених раніше теоретичних квантових підходів (енергетичний формалізм,  релятивістська багаточастинкова теорія збурень з 0-вим наближенням Дірака-Кона-Шема-Штурму) для обчислення характеристик елементарних атомних процесів (амплітуд, перерізів збудження, іонізації, енергий, ширин автоіонізаційних резонансів, тощо) пропонується оптимізована схема поділення ізотопів Gd методом 3-ступенчатої лазерної фотоіонізації з іонізацією на фінальній стадії імпульсним електричним полем, іонізацією через вузькі автоіонізаційні резонанси. Вперше теоретично обчислені параметри вузьких  автоіонізаційних резонансів для Gd в достатньо слабкому електричному полі у відмінній згоді з даними відомого експерименту Летохова та інш.  Вузькі авторезонанси в Gd (очевидно, взагалі для будь-якого атому лантанідів або актинідів) мають порівняно великий час життя, відповідно їх перерізи збудження, іонізації чисельно мають такий ж самий порядок як й перерізи збудження на початковій стадії схеми. Тому використання цих станів може забезпечити оптимальну реалізацію лазерної схеми поділення важких ізотопів. Отримані результати для Gd підтверджують перспективність побудови з використанням моделей оптимального керування ефективних схем методу лазерної фотоіонізації з  іонізацією на фінальній стадії імпульсним електричним полем, автоіонізацією та дозволяють визначити оптимальні параметри схеми, у т.ч., діаграми атомних переходів, форму лазерних імпульсів тощо. Є сподівання, що дана робота забезпечить також нові можливості подальшого розвитку лазерної хімії лантанідів, а також актинідів з урахуванням нової фізики автоінізаційних резонансів в їх спектрах.

Посилання

Letokhov V. S. Nonlinear Selective Photoprocesses in atoms and molecules. – Мoscow : Nauka, 1983.

Bagratashvili V. N., Letokhov V. S., Makarov A. A., Ryabov E. A. Multiple Photon infrared Laser Photophysics and Photochemistry. – New York : Acad. Publ., 1995.

Bokhan P. A., Buchanov V., Fateev N., Kalugin M., Kazaryan M., Prokhorov A.M., Zakrevskў D. Laser Isotope Separation in Atomic Vapor. – New York : Wiley, 2006.

Glushkov A. V., Khetselius O. Y., Sofronkov A. N., Svinarenko A. A. Catalysis as an effective tool of green chemistry: Novel electrodynamic and quantum chemical computational approaches to catalytic processes modeling // In: L. Mammino, Ed., Green Chemistry and Computational Chemistry, 1st Ed., Shared Lessons in Sustainability, Elsevier. – 2022. – P. 333-354.

Krasnov I. V., Shaparev N. Ya., Shkedov I. M. Optimal laser effects. – Novosibirsk : Nauka, 1989.

Glushkov A., Ambrosov S., Shpinareva I. Quantum modelling and optimal governing by selective atomic photoprocesses. – Odessa : TEC, 2004.

Khetselius O. Forecasting evolutionary dynamics of chaotic systems using ad-vanced non-linear prediction method // Dynamical Systems – Theory and Applications, Eds. J. Awrejcewicz et al. – 2013. – Vol. 1. – P. 145-152.

Khetselius O. Relativistic calculation of the hyperfine structure parameters for heavy elements and laser detection of the heavy isotopes // Phys. Scr. – 2009. – Vol. 135. – P. 014023.

Gubanova E., Glushkov A., Khetselius O., Bunyakova Yu., Buyadzhi V., Pavlenko E. New methods in analysis and project management of environmental activity: Electronic and radioactive waste. – Kharkiv : FOP, 2017.

Stoll W. Present Status of industrial Isotope separation by laser technology // Atomic and Molecular Pulsed Lasers. – Tomsk : SO RAN, 2001.

Buchanov V., Kazaryan M., Kalugin M., Prokhorov A. Laser separation of silicon isotopes by AVLIS Tech. // Atomic & Mol. Pulsed Lasers. – Tomsk : Nauka, 2001.

Ambrosov S. V. New optimal scheme for gases and isotopes optically discharged separation with penning and stochastic collisional ionization // Phys. of Aerodisp.Syst. – 2003. – No. 40. – P. 340-352.

Khetselius O. Relativistic perturbation theory calculation of the hyperfine structure parameters for some heavy-element isotopes // Int. J. Quant. Chem. – 2009. – Vol. 109. – P. 3330-3335.

Guyadec E., Ravoire J., Botter A., Lambert B, Petit A. Effect of a magnetic field on the resonant multistep selective photoionization of gadolinium isotopes // Opt. Com. – 1990. – Vol. 76(1). – P. 34-41.

Shigeki Tokita S., Izawa Y., Niki H., Kuwashima F. Selectivity loss due to magnetic field in laser isotope separation of gadolinium based on polarization selection rules // Journ. of Nuclear Sci. and Tech. – 2012. – Vol. 40(12). – P. 1014-1018.

Glushkov A. V., Khetselius O. Y., Svinarenko A. A. et al. Frontiers in green radio-chemistry: New optimized quantum approach to laser separation of isotopes and transmutation of radioactive waste; In: L. Mammino, Ed., Green Chemistry and Computational Chemistry, Elsevier. – 2022. – P. 385-402.

Glushkov A. V., Khetselius O. Y., Kuznetsova A. A., Svinarenko A. A., Ternovsky V. Advanced laser-photoionization scheme of separation of heavy isotopes in the gas separator devices // Physics of Aerodisp. Systems. – 2021. – Vol. 59. – P. 106-112.

Glushkov A. V., Lepikh Ya. I., Ambrosov S. V., Khetselius O. Yu. New optimal schemes of the laser photoionization technologies for cleaning the semiconductor materials and preparing the films of pure composition at atomic level // Ukrainian Journal of Physics. – 2008. – Vol. 53. – No. 10. – P. 1017-1022.

Glushkov A., Prepelitsa G, Svinarenko A., Pogosov A., Shevchuk V., Ignatenko A., Bakunina E. New laser photoionization isotope separation scheme with autoio-nization sorting of highly excited atoms for highly radioactive isotopes and products of atomic energetic // Sens. Electr. Microsys. Tech. – 2011. – Vol. 2(8). – P. 81-86.

Bekov G. I., Letokhov V. S., Matveev O. I., Mishin V. I. Observation of a long-lived autoionization state in the spectrum of the gadolinium atom // JETP Lett. – 1978. – Vol. 28(5). – P. 308-311.

Goldansky V. I., Letokhov V. S. Effect of laser radiation on nuclear decay processes // Sov. Phys. JETP. – 1974. – Vol. 67. – P. 513-516.

Baldwin G. G., Salem J. C., Goldansky V. I. Approaches to the development of gamma ray lasers // Rev. Mod. Phys. – 1981. – Vol. 53. – P. 687-742.

Ivanov L. N., Letokhov V. S. Spectroscopy of autoionization resonances in heavy elements atoms // Com. Mod. Phys. D.: At. Mol. Phys. – 1985. – Vol. 4. – P. 169-184.

Glushkov A. V., Ivanov L. N., Letokhov V. S. Nuclear quantum optics // Preprint of Institute for Spectroscopy of the USSR AS, ISAN-N4. – Moscow, 1991.

Glushkov A. V., Ivanov L. N. DC Strong-Field Stark-Effect: consistent quantum-mechanical approach // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. – 1993. – Vol. 26. – P. L379-386.

Glushkov A. V., Ivanov L. N. Radiation Decay of Atomic States: atomic residue and gauge non-invariant contributions // Phys. Lett. A. – 1992. – Vol. 170(1). – P. 33-36.

Ivanova E. P., Ivanov L. N., Kramida A. E., Glushkov A. V. High order corrections in the relativistic perturbation theory with the model zeroth approximation, Mg-Like and Ne-Like Ions // Phys. Scripta. –1985. – Vol. 32. – P. 513-522.

Glushkov A., Khetselius O., Svinarenko A. et al. QED calculation of the superheavy elements ions: energy levels, radiative corrections and hyperfine structure for different nuclear models // Nucl. Phys. A. – 2004. – Vol. 734S. – Р. 21-24.

Glushkov A. V. Relativistic Quantum Theory. Quantum mechanics of Atomic Systems. – Odessa : Astroprint, 2008.

Khetselius O. Y. Quantum structure of electroweak interaction in heavy finite Fermi-systems. – Odessa : Astroprint, 2011.

Glushkov A. V., Khetselius O. Y., Gurnitskaya E. P. et al. Gauge-invariant QED perturbation theory approach to calculating nuclear electric quadrupole moments, hyperfine structure constants for heavy atoms and ions // Frontiers in Quantum Systems in Chemistry and Physics, Springer. – 2008. – Vol. 18. – P. 507-524.

Svinarenko A., Glushkov A., Khetselius O. et al. Theoretical spectroscopy of rare-earth elements: Spectra and Autoionization Resonances // In: Rare-Earth Element, Ed. J. E. A. Orjuela. Intech. – 2017. – P. 83-104.

Glushkov A. V., Rusov V. D., Ambrosov S. V., Loboda A. V. Resonance states of compound super-heavy nucleus and EPPP in heavy nucleus collisions // New Projects and New Lines of research in Nuclear physics. Eds. Fazio G., Hanappe F. – Singapore : World Sci, 2003. – P. 142-154.

Glushkov A. V., Kondratenko P. A., Lepikh Ya. I., Fedchuk A. P., Svinarenko A. A., Lovett L. Electrodynamical and quantum-chemical approaches to modelling the electrochemical and catalytic processes on metals, metal alloys and semiconductors // Int. J. Quant. Chem. – 2009. – Vol. 109(14). – P. 3473-3481.

Ambrosov S., Khetselius O., Ignatenko A. Wannier-Mott exciton and H, Rb atom in a DC electric field: Stark effect // Photoelectronics. – 2008.– Vol. 17.– P. 84-87.

Khetselius O. Y., Lopatkin Y., Dubrovskaya Y., Svinarenko A. Sensing hyperfine-structure, electroweak interaction and parity non-conservation effect in heavy atoms and nuclei // Sensor Electr. and Microsyst. Tech. – 2010. – No. 2. – P. 11-19.

Khetselius O. Y., Ambrosov S., Lopatkin Y., Svinarenko A. Laser photoionization isotope separation technology and new principal scheme for γ-laser on quickly decayed nuclear isomers with autoionization sorting of highly excited atoms // Photoelectronics. – 2010. – No. 19. – P. 70-73.

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-12-09

Номер

Розділ

Газодинаміка