DE2430315A1 - Trennverfahren - Google Patents

Description

f- Ί. · 'A.

Kraftwerk Union Aktiengesellschaft Erlangen,

Werner-von-Siemens-Str.

VPA 74/9418 Mü/Ant

Trennverfahren

(Zusatz zur Patentanmeldung P 23 11 584.6 - TPA 73/9411) - Geheim

Die vorliegende Erfindung betrifft nach dem Hauptpatent ein Verfahren zur physikalischen Trennung von vorzugsweise gasförmigen Stoff- "bzw. Isotopengemischen, bei dem durch ein solches Stoff- bzw. Isotopengemisch wenigstens ein Strahl einer polarisierten elektromagnetischen Welle hindurchgeleitet wird und die Frequenzen der elektromagnetischen Wellen so einge-' stellt werden, daß die einzelnen Bestandteile dieses Gemisches selektiv unterschiedlich in ihrem Dipolverhalten beeinflußt und durch das elektrische und/oder magnetische PeId des Strahles entmischt werden. Wie auch bei anderen Trennverfahren, so stellt sich auch hier die Aufgabe, die Trennleistung oder den Durchsatz zu erhöhen und bezüglich der aufzuwendenden Leistung zu optimieren.

Die Weiterentwicklung des Trennverfahrens in dieser Richtung führte erfindunge gemäß dazu, daß der Strahl der polarisierten Welle mit Hilfe eines Resonatorsystems eine stehende Welle bildet, die von der Strömung des zu trennenden Stoffgemisches durchquert wird und die stehende Welle so bewegt wird und/oder die Strömung des Stoffgemisches so geführt wird, daß zwischen der stehenden Welle und der Strömung des Stoffgemisches eine Relativbewegung, stattfindet derart, daß ein-Verbleiben von Stoffteilchen während der Durchquerung der elektromagnetischen

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Welle, "beispielsweise eines Laserstrahles, im Bereich der Wellenknoten vermieden wird. Durch die Erhöhung der Energiedichte im Resonator wird eine wesentlich bessere Ausnutzung der der elektromagnetischen Welle innenwohnenden Energie erreicht. Weitere Verbesserungen lassen sich dadurch erzielen, daß die stehende polarisierte Welle durch ein Spiegelsystem in zwei praktisch parallel stehende Wellenzüge aufgeteilt wird, die in Strahlrichtung um etwa eine viertel Wellenlänge gegeneinander versetzt sind. Dadurch wird eine gleichmäßigere Ablenkung über die ganze genutzte Strahllänge erreicht. Außerdem wird auch der Querschnitt der elektromagnetischen Strahlung vergrößert, was gleichbedeutend ist mit einer Erhöhung der mittleren Verweilzeit der zu beeinflussenden Teilchen innerhalb des elektromagnetischen Feldes dieser Strahlung.

Für die physikalischen Zusammenhänge, die für dieses Trennverfahren zur Wirkung kommen, sei auf die Erläuterungen des Hauptpatentes verwiesen. Aus der dortigen Beschreibung sei lediglich zitiert, daß es im Falle der Trennung durch das elektrische Feld wesentlich ist, daß die elektrische Feldstärke, bezogen auf den Querschnitt des Strahles, nicht überall den gleichen Wert besitzt, sondern einen Gradienten in oder gegen Feldrichtung aufweist. Dadurch sind die beiden Pole der Moleküldipole unterschiedlichen Feldstärken ausgesetzt, so daß auf jeden Moleküldipol eine elektrische Kraft wirkt. Die Schwingungsamplituden des Molekulardipols sind dabei am größten, wenn die erregende Frequenz der elektromagnetischen Schwingung der Resonanzfrequenz entspricht. Zwischen dem erregenden Wechselfeld und der Schwingung des Moleküls ergibt sich aber eine Phasendifferenz, die sich mit zunehmender Frequenz 180° nähert, wenn die Frequenz des erregenden Feldes geringfügig größer als die Eigenfrequenz des Moleküls ist. Diese Phasen-

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differenz nähert sich mit abnehmender Frequenz Null, wenn die Frequenz des erregenden Feldes kleiner ist als die Resonanzfrequenz.

Bei einem zu trennenden Stoffgemisch handelt es sich um wenigstens zwei Molekülarten mit etwas verschiedenen Resonanzfrequenzen. Liegt dabei die erregende Frequenz zwischen diesen "beiden Resonanzfrequenzen, so schwingt die eine Molekülart nahezu gleichphasig und die andere nahezu gegenphasig zum erregenden Feld, was bedeutet, daß die "beiden Molekülarten im inhomogenen erregenden Feld in entgegengesetzten Richtungen abgelenkt werden.

Im Unterschied zum Hauptpatent wird nunmehr vorgeschlagen, daß der Strahl der polarisierten Welle mit Hilfe eines Resonatorsystems - an sich bekannter Technik - eine stehende Welle bildet, die von der Strömung des zu trennenden Stoffgemisches durchquert wird. Bei einer stehenden Welle sind jedoch Wellenknoten vorhanden, an denen die Feldstärke und damit die Trennwirkung gleich Null ist. Dieser Nachteil der stehenden Welle wird nun dadurch kompensiert, daß zwischen der stehenden Welle und der Strömung des Stoffgemisches eine derartige Relativbewegung stattfindet, daß ein Verbleiben von Stoffteilchen während der Durchquerung der elektromagnetischen Wellen im Bereich der Wellenknoten vermieden wird. Auf diese Weise bleibt der in der höheren Energiedichte begründete Vorteil der stehenden Welle praktisch vollständig erhalten, ohne daß unwirksame Bereiche auftreten.

Zur Durchführung dieser Prinzipien gibt es verschiedene Möglichkeiten, einige davon sind beispielsweise anhand der Figuren 1 bis 17 zum besseren Verständnis dieser Erfindung näher erläutert. Die ersten Beispiele beschränken sich dabei

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auf die Ausnutzung des elektrischen Wechselfeldes der Laserstrahlung, und die Beispiele gemäß Figur 13 "bis 17 auf die Ausnutzung des magnetischen Feldes.

Das in Fig. 1 bis 3 dargestellte Beispiel zeigt den Aufbau einer Trenneinrichtung, "bei welcher der Gasstrahl nacheinander zwei stehende Wellen, die gegeneinander um 1/4λ versetzt sind, durchsetzt. Die elektromagnetischen Wellen sind linear so polarisiert, daß der Vektor des elektrischen Feldes im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Gasstrahles steht, wie es auch in dem Hauptpatent erläutert wird. Durch die räumliche Versetzung der "beiden stehenden Wellen tritt also ein Molekül, das den ersten Strahl in einem Knoten durchquert hat und deshalb keinen Ablenkimpuls erfahren hat, beim zweiten Strahl auf einen Wellenbauch. Dadurch wird die Ablenkung erheblich gleichmäßiger. Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine derartige Einrichtung. Die aktive Laserzone ist mit L bezeichnet, der Laserstrahl tritt auf beiden Seiten über die Brewsterplatten B aus und verbleibt in einem Resonanzsystem, das im wesentlichen aus den Spiegeln SP1 und SP3 besteht. Über einen Strahlteiler ST wird ein Teil des Laserstrahles zum Spiegel SP2 reflektiert und von dort wieder auf den Spiegel SP3 geworfen. Auch dieser bildet wieder ein Resonanzsystem und eine eigene stehende Welle S2. Durch die Stufung des Spiegels SP3 ist dieser jedoch gegenüber der stehenden Welle S1 in axialer Richtung verschoben, so daß sich der in Fig. 3 dargestellte Feldstärkenverlauf in z-Richtung (optische Achse) ergibt. Die Stufenhöhe des Spiegels SP3 muß daher etwa TV/4 oder (η .λ+ λ/4) betragen. Um die Verluste am Strahlteiler ST der zurücklaufenden Wellen infolge Teilreflexion und Teiltransmission weitgehend zu vermeiden, werden diese Anteile durch den Spiegel SP4 wieder phasenrichtig zurückgespiegelt. Die notwendige Feinjustierung der Spiegel und der Strahler des Strahlteilers wird in an sich bekannter Weise zum Beispiel mit Hilfe von Piezo-Keramiken durchgeführt.

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Der Gasstrahl, der aus einem Gemisch der beiden zu trennenden Stoffe Mt und M2 "besteht, durchsetzt zunächst die Düse D, sodann eine Blende BL und wird anschließend im Laserstrahl entsprechend der Eigenresonanzen der Anteile M1 und M2 in seiner Richtung selektiv so abgelenkt, daß sie im Auffänger A aufgefangen werden können. Die Jig. 2 stellt dabei einen Querschnitt durch die in Mg. 1 im Längsschnitt gezeigte Einrichtung dar.

In Fig. 4 ist ein weiteres Beispiel zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Prinzips dargestellt. Hier wird der aus der Laserzone L kommende Laserstrahl über den Auskoppelspiegel AS in den Resonator eingeleitet. Dieser besteht aus dem Einkoppelspiegel ES und dem Spiegel SP5. Einkoppelspiegel ES und Spiegel SP5 sind dabei mit Bewegungsmechanismen B1 und B2, z.B. elektrischer Art verbunden, die den Resonator und damit die stehende Welle in axialer Richtung schwingen lassen. Der Gasstrahl kommt, wie im vorhergehenden Beispiel aus einer Düse und wird im Auffänger A getrennt aufgefangen. Die Fig. 5 zeigt dabei wieder einen Querschnitt der in Fig. 4 dargestellten Einrichtung. Die durch die Bewegungsmechanismen B1 und B2 erzeugte, der stehenden Welle überlagerte Geschwindigkeit wird dabei so gewählt, daß die Teilchen des Gasstrahles nach dem Durchlaufen der Welle überall etwa die gleiche Ablenkung erfahren, daß sie andererseits aber nicht so groß ist, daß der Dopplereffekt und die damit verbundene Frequenzverschiebung - im Hinblick auf die Trennwirkung - zu groß wird. Durchläuft z.B. der Gasstrahl eine stehende Welle von λ = 16 /um mit einer Geschwindigkeit von 100 m pro Sekunde auf einer Strecke von 0,1 cm, so genügt eine synchrone Vibration von Einkoppelspiegel ES und Spiegel SP5 mit einer Frequenz von 100 kHz und eine Amplitude von λ/4 = 4 yum. Es

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soll nicht unerwähnt bleiben, daß es auch möglich ist, den Ein- und Auskoppelspiegel wegzulassen, dann müssen jedoch die Spiegel SP1 und 3P5 synchron schwingen.

In den beiden genannten Beispielen verläuft die Richtung des Gasstrahles der zu trennenden Stoffe im wesentlichen parallel zu den Knotenflächen der stehenden Welle. Die Knotenflächen sind jene gedachten Flächen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahles durch die Knotenpunkte desselben "verlaufen. Tritt nun der Gasstrahl schräg zu diesen Flächen, gleichzeitig aber senkrecht zur Polarisationsrichtung in den Laserstrahl hinein und durch ihn hindurch, so kann auch dadurch erreicht werden, daß jedes Gasmolekül oder Atom die Feldstärkebereiche von Null bis Maximum je nach Einstrahlwinkel mindestens einmal durchläuft. Während bei parallelem Gasstrahl zu den Knotenflächen ohne die in den Beispielen 1 und getroffenen Maßnahmen an diesen keine und an den Wellenbäuchen maximale Ablenkungen der Teilchen auftritt, wird nun bei schrägem Eintritt die Ablenkung aller Gasmoleküle oder Atome gleichmäßiger. Außerdem, wird mit zunehmendem Einfallwinkel die Aufenthaltsdauer vergrößert, was zu einer entsprechend größeren Ablenkung führt. Die effektive Frequenz, die dabei auf die Moleküle wirkt, unterscheidet sich geringfügig von der Laserfrequenz. Die Differenz zwischen beiden nimmt mit steigendem Einfallswinkel und steigender Molekülgeschwindigkeit zu. Um diesen Betrag kann dann auch die Laserfrequenz selbst geändert werden, was praktisch gleichbedeutend mit einer Abstimmöglichkeit hinsichtlich der benötigten Frequenzen ist.

In Fig. 6 und 7 ist ein derartiger Fall schematisch dargestellt. Das Resonanzsystem besteht wieder aus dem Laser L und dem Spiegel SP6. Der Gasstrahl M1 plus M2 durchsetzt den Laserstrahl sehr flach. Der elektrische Vektor der linearpolarisierten Welle des Laserstrahles steht dabei senkrecht auf

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der durch die optische Achse und den einfallenden Gasstrahl gelegten Fläche. Die Ablenkung erfolgt dann in "bzw. gegen Richtung des elektrischen Feldes. Dadurch ist die Verweilzeit der zu trennenden Teilchen der stehenden Welle und damit die Wirkung erheblich größer als bei einem Einfall senkrecht zur optischen Achse. Allerdings vermindert sich im Vergleich zu den erstgenannten Beispielen der nutzbare Gasstrahlquerschnitt.

Die in den Fig. 1-7 schematisch dargestellten Verfahrensvarianten beziehen sich auf die Zuordnung von Laserstrahlen und zu trennenden Stoffgemischen. Eine Einrichtung zur Durchführung dieser Verfahrensvarianten ist in Fig. 8 dargestellt, wobei allerdings die eigentliche Lasereinrichtung mit den Spiegelsystemen usw. weggelassen ist. In dieser Figur ist lediglich das Behandlungsgefäß für die Durchführung des eigentlichen Trennvorganges dargestellt, ähnlich wie auch bereits im Hauptpatent. Durch konstruktive Maßnahmen hinsichtlich der Führung des Gasstrahles, also des Stoffgemisches M1 + M2, wird hierbei eine wesentliche Erhöhung der Trennrate erreicht. Der in dieser Anordnung eingezeichnete Laserstrahl kann also aus zwei λ/4 gegeneinander verschobenen stehenden Wellen bestehen, der Laserstrahl kann in axialer Richtung hin- und herschwingen, die Gasstrahlen aus der Düse können den Laserstrahl auch schräg durchsetzen. In allen Fällen steht die Polarisationsrichtung und damit auch die Richtung der elek- ' trischen Feldstärke senkrecht zur Richtung der Gasströmung.

Der Behandlungsraum besteht aus einem gasdichten Gehäuse G, das mit einem Kühlmantel K zur Einstellung der Temperatur versehen ist. Es ist außerdem in nicht dargestellter Weise an eine Vakuumpumpe angeschlossen. Weiterhin ist es mit einem Vorratsgefäß V für das zu trennende Stoffgemisch versehen, das in gasförmiger Form durch die Schlitzdüse D in den Behandlungsraum eintritt. Der·austretende Gasstrahl entspannt sich

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vor der Düse D unter starker Aüfweitung, bis die freie Weglänge so groß geworden ist, daß die Gasmoleküle mit der an diesem Ort vorhandenen Geschwindigkeit praktisch stoßfrei und geradlinig weiterfliegen. Hier ist nun ein Schlitzgitter BLO angeordnet, dessen Schlitze parallel zum Schlitz der Düse D verlaufen. Dieses Schlitzgitter ist der Ausgangspunkt einer Vielzahl von den Laserstrahl S durchsetzenden Quellstrahlen. Die aus dem Schlitzgitter BLO austretenden noch relativ stark divergierenden Gasstrahlbündel werden dann nach Durchlaufen des Laserstrahles S durch das zweite Schlitzgitter BL1 in eine große Zahl sich teilweise kreuzender Teilstrahlen jeweils geringer Divergenz aufgelöst. Diese Moleküle durchfliegen dann, wenn sie nicht zur abgelenkten Sorte gehören, die Öffnungen einer Blende BL2, die in einem größeren Abstand, wie z.B. einem Meter, vom Schlitzgitter BL1 aufgebaut ist. Sie befindet sich außerdem kurz vor der Rückwand des Gehäuses G. Die räumliche Zuordnung der Schlitzgitter BLO und BL1 sowie der Blende BL2 ist nun so getroffen, daß die von den Quellschlitzen im Schlitzgitter BLO ausgehenden und nicht abgelenkten Teilstrahlen durch Schlitze der Gitter BL1, BL2 hindurchlaufen. Diese geometrische Zuordnung ist für zwei Schlitze des Schlitzgitters BLO in Fig. 9 dargestellt. Hieraus ist zu ersehen, daß die Quellschlitze sowie die Schlitze der Schlitzgitter BL1 und BL2 stets auf geraden bzw. nahezu geraden Linien liegen. Die praktische Wirkung dieser Zuordnung der verschiedenen Schlitzgitter liegt nun darin, daß durch die Laserstrahlen nicht abgelenkte Teilchen durch das Schlitzgitter BL2 hindurchlaufen und auf der rückwärtigen Wand des Gehäuses G gesammelt'werden. Abgelenkte Teilchen dagegen werden die Schlitze des Gitters BL2 nicht mehr treffen und von den Stegen desselben zurückgehalten. Sie werden dann an den Wänden des Raumes zwischen dem Schlitzgitter BL1 und der Blende BL2 kondensiert. Um zu verhindern, daß die Schlitze sich durch kondensierende Substanz schließen, wird das Gitter auf so hoher Temperatur gehalten,

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daß dort keine Kondensation eintritt. Da der Feldstärkengradient im Zentralbereich des Laserstrahles verhältnismäßig gering ist, wird dort keine für die Ablenkung der Teilchengeeignete Dipolbildung eintreten, eine Trennung wird also nicht erfolgen. Aus diesem G-runde ist, wie in Fig. 8 dargestellt, der Zentralbereich des Schlitzgitters BL2 offen, an der Rückwand des Gehäuses G sammelt sich in dieser Zone ein Teil des Stoffgemisches in ungetrenntem Zustand. Diese bedeutet, wenn es sich hierbei um die Trennung von Uranisotopen handelt, daß an dieser Stelle das natürliche Uranisotopgemisch vorhanden ist. Außerhalb dieser Zonen werden die praktisch nicht beeinflußten Uranisotope U 238 niedergeschlagen. Je nach dem Ausgangsmaterial können sich diese Isotope in metallischer Form oder auch in Gestalt einer Verbindung, wie z.B. Uranhexafluorid niederschlagen und auf diese Weise in getrennter Form gewonnen werden.

Auch die von den Gittern BLO und BL1 zurückgehaltenen Moleküle werden nicht getrennt. Deshalb werden diese Stoffmengen gesondert aufgefangen. Der Gasdruck im Raum zwischen Düse und Gitter BI wird entweder durch Abpumpen oder Kondensation der zu trennenden Substanz auf so niederem Wert gehalten, daß der dadurch verursachte störende Untergrund nicht getrennter Substanz im Raum zwischen Gitter BL1 und Gitter BL2 klein bleibt. Anfallende Fremdgase können durch eine Vakuumpumpe mit vorgeschalteter Kühlfalle entfernt werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Durchführung dieses Trennverfahrens zeigt die Fig. 10. Hier besteht das Resonanzsystem wieder aus dem Laser L und dem Spiegel SP7 sowie einer Fokussierungslinse FL. Der Spiegel und die Fokussierungslinse sind mit einer zentralen Bohrung versehen, durch die der Gasstrahl hindurchtreten kann. Dieser tritt in diesem Beispiel über eine blendenartige Bohrung im Spiegel SP7 in den Behandlungsraum

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ein, durchsetzt den Laserstrahl also in axialer Richtung. Datei kann allerdings nur der Querschnitt des Laserstrahles selbst zur Trennung ausgenützt werden. In diesem Falle wird die Frequenz der stehenden Welle so gewählt, daß nur die Moleküle der einen Atomart M2 eine starke Ablenkung erfahren, während jene der anderen M1 nur wenig abgelenkt werden. Dies bedeutet in dem Beispiel, daß die wenig beeinflußten Teilchen M1 durch eine kleine Öffnung in der Linse PL in den Sammelraum R1 eintreten können, während die stark abgelenkten Teilchen M2 im Sammelraum R2 verbleiben. Die Teilchen können dann getrennt aus diesen Räumen abgesaugt bzw. auf deren Wänden kondensiert werden. Die optischen Teile, wie Spiegel, Linsen und Laseraustrittsfenster werden bei nicht zu niedrigem Dampfdruck der Substanzen durch entsprechend hohe Temperaturen vor dem Bedampfen geschützt. Müßten dazu Temperaturen angewendet werden, bei welchen diese Teile geschädigt werden, dann kann z.B. für Analysenzwecke vor der Linse im Sammelraum R1 eine für die Laserstrahlung durchlässige Platte RP angeordnet werden, auf der die Teilchen kondensieren. Die Platte kann dabei bewegt werden um die bedampften Teile aus dem Strahlenraum herauszuführen. Die hier dargestellte Begrenzung des Behandlungsraumes ist selbstverständlich mit den vorgenannten Beispielen ebenfalls notwendig, sie wurde dort lediglich der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

Eine weitere Möglichkeit zur Trennung von Isotopen mit Hilfe des elektrischen Feldes einer stehenden polarisierten Welle ist in den Fig. 11 und 12 dargestellt. Hier wird eine im Laser und der Polarisationseinrichtung P erzeugte polarisierte stehende Welle mit einem rechteckigen Querschnitt erzeugt, wobei der elektrische Vektor in der Ansicht nach Fig. 11 parallel zur Papierebene und in der Ansicht nach Fig. 12 senkrecht zur Papierebene und senkrecht zur optischen Achse verläuft. Durch an sich bekannte optische Mittel, wie z.B. Zylinderlinsen und Zylinderspiegel, wird die Höhe der Welle in Intervallen stark

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eingeschnürt, wie es durch gestrichelte linien in der Fig. 11 dargestellt ist. Das zu trennende Gas - also das Gasgemisch M1 + M2 wird der stehenden Welle in einem Bereich mit großem Querschnitt zugeleitet und dann durch eine dem Verlauf der Welle angepaßte'Wand W1 geführt. Im Bereich der Engstelle der Welle erreichen elektrische Feldstärke und deren Gradient in Polarisationsrichtung so große Beträge, daß Teilchen, die mit geringer PhasenverSchiebung relativ zur stehenden Welle schwingen, in den Bereich um die Mittelebene transportiert werden, während Teilchen mit einer Phasenverschiebung nahe bei 180 aus dem Strahl herausgedrängt werden. Hinter dem Trennbereich wird der Gasstrom erweitert durch Aufweiten der Führungswände W1. Der Kern des Gasstrahles, in dem die Teilchenart M2 angereichert ist, tritt in den Innenteil eines in den Erweiterungsraum hineinragenden entsprechend geformten Abschälers W2 hinein, wodurch die obere und untere Randζone, in welchen die Teilchenart M1 angereichert ist, abgeschält wird. An den Schmalseiten des Gasstrahles ist der Trenneffekt klein, da dort elektrisches Feld und Gradient desselben klein sind. Deshalb werden diese Teile des Gasstromes, die nur wenig angereichert sein können, getrennt aufgefangen. Die Fig. 12, die einen Horizontalschnitt durch die Einrichtung gemäß Fig. darstellt, zeigt diese Verhältnisse. Hieraus ist auch zu erkennen, daß die Fokussierungslinsen FL als Zylinderlinsen ausgebildet sind. Wie in diesen beiden Figuren dargestellt, können solche Trenneinrichtungen auch hintereinander angeordnet werden, sie können dabei auch zur stetigen Erhöhung des Anreicherungsgrades an dem einen Isotop kaskadenförmig geschaltet sein.

Diese in den Fig. 11 und 12 dargestellte Einrichtung kann jedoch auch rotationssymmetrisch ausgebildet sein, wenn man die Polarisationsrichtung mit einer Umlaufzeit drehen läßt, die klein ist gegen die Laufzeit der Welle im Resonator, aber groß gegen die Laufzeit der Gasmoleküle oder Atome im Ablenkbereich. Auf diese Weise erfahren die Teilchen in allen Richtungen senkrecht zur

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optischen Achse im Zeitmittel die gleiche Kraft. In diesem Pa lie kann auch "bei genügend großer Feldstärke durch Weglassen der Führungswand im engsten Bereich der stehenden Welle die Trennstelle dorthin verlegt werden, so daß die Teilchenart M1 hier radial austreten kann.

Die Ausnutzung magnetischer Kräfte zur Trennung der Teilchen in einer fortschreitenden Laserstrahlwelle wurde "bereits im Hauptpatent "beschrieben. Auch hier sind Verbesserungen durch Verwendung einer stehenden Laserstrahlwelle erreichbar, da sich der Laserstrahl durch das Resonatorsystem soweit verstärkt und aufschaukelt, bis die Verluste durch die Absorption im Teilchenstrom sowie in den optisch wirksamen Teilen, (Fenster, Linsen, Spiegel) durch die nachgelieferte Laserenergie ausgeglichen werden.

Die bei der stehenden Welle vorhandene Phasenverschiebung von 90° zwischen elektrischem und magnetischem Feld bewirkt, daß über alle Zeiten gleichgerichtete Kräfte an einem Ort nur auftreten, wenn die Phasenverschiebung zwischen elektrischem Feld und induziertem Dipolmoment von 90° abweicht. Örtlich kehrt sich ihre Richtung in Abständen von λ/4 um.

Die Fig. 13 - 17 zeigen eine Einrichtung zur Ausnutzung des magnetischen Trenneffektes. Wählt man die Frequenz der stehenden Welle so, daß sie mit der Resonanzfrequenz- einer Teilchenart übereinstimmt, so werden diese Teilchen zu den Knotenflächen K hin gedrängt. Beim Durchtritt des Gasstromes durch die stehende Welle parallel zu den Knotenflächen wird sich diese Teilchenart im Bereich der Knotenfläche anreichern und kann dann beim Austritt aus dem Laserstrahl durch ein spezielles Sammelsystem getrennt von jenen Teilgasströmen aus den Wellenbäuchen abgesaugt werden. Die Fig. 13 zeigt einen

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Längsschnitt und die Fig. 14 einen Querschnitt durch eine derartige Einrichtung, die Pig. 15 zeigt die Einzelheit Z aus Pig. 13, während die Fig. 16 einen Horizontalschnitt durch das Auffängersystem darstellt. Die stehende Welle S durchsetzt, gemäß Pig. 13 den Behandlungsraum, der, wie bei den früheren Beispielen von Fremdstoffen,evakuiert ist. Der Druck des zu trennenden Stoffgemisches M1 + M2 auf Kondensationstemperatur kann z.B. über die vor der Düse auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Das Stoffgemisch strömt durch einen schmalen Kanal von oben durch die stehende Welle S hindurch und gelangt zu einem Auffangsystem A. In diesem werden die getrennten Teilchenströme M1 und M2 nach den Seiten abgesaugt, siehe Pig. 14, außerdem sind Maßnahmen getroffen, den an der Auffängervorrichtung vorbeigehenden Anteil des Stoffgemisches abzusaugen. Die Pig. 15 zeigt schematisch den ankommenden Teilchenstrom M1 + M2, darunter einzelne Knotenflächen der stehenden Welle KP und darunter wiederum die Kammern des Auffängersystems. Jeweils unter einer Knotenfläche ist eine Auffängerkammer und jeweils unterhalb eines Wellenbauches eine andere Auffängerkammer angeordnet, deren Ausgänge nach verschiedenen Seiten münden, siehe die Pig. 16. Diese verschiedenen Seiten münden in die Sammelräume SR1 und SR2, siehe Pig. 14, ein und werden-von dort abgesaugt. Die Herstellung eines solchen fein unterteilten dünnwandigen Kammersystems als Auffangeinrichtung A, bei dem jedes Kammerpaar in Achsrichtung die Abmessung */2 hat, kann z.B. als Stapel gleichartiger Elemente in einer gemeinsamen Halterung erfolgen. Die Anpassung dieses Kammersystems erfordert große Genauigkeit, sie kann beispielsweise durch eine Einstelleinrichtung E, siehe Pig. 13, vorgenommen werden. Die Herstellung der einzelnen Elemente wird wegen der außerordentlichen Feinheit derselben, z.B. durch Ansetzen der Hohlräume oder durch Aufdampfen der erhabenen Bereiche geschehen.

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Bei sehr kurzen Resonanzwellenlängen kann die Herstellung eines derartigen Auffängersystems A entsprechend der Figuren 15 und 16 schwierig, wenn nicht gar unmöglich werden. In solchen Fällen, aber noch bei Ultrarotstrahlung ist es möglich, ein System nach Fig. 17 aufzubauen. Hier tritt das Gas durch Schlitze von etwa der Breite λ/4 oben in die stehende Welle S ein. Legt man deren Knotenflächen an die Trennkanten K der Kammern des Auffängersystems A, so werden die Teilchen, die sich in der Resonanz befinden, in die Kammer I abgelenkt, während die andere nahezu unbeeinflußt in die Kammer II strömen. Von dort können sie, wie in den Beispielen nach Fig. 13 bis 16, getrennt abgezogen werden. Da hier die Trennstellen um ein beliebiges Vielfaches von ^λ/2 entfernt sein können, ist es möglich, das Auffängersystem A mit größeren Kammern und Wandstärken aufzubauen. Bei dieser Konstruktion wäre es auch möglich, die Abstände der einzelnen Kammern I und II voneinander nachzujustieren und somit an die Wellenlänge des Laserstrahles bzw. den Abstand der Wellenknoten anzupassen.

Die hier beschriebenen Verbesserungen des Verfahrens nach dem Hauptpatent sowie der beispielsweise erwähnten Einrichtungen zur Durchführung derselben sind nicht nur mit einer erhöhten Trennrate pro Zeiteinheit verbunden, vielmehr gestatten sie auch durch Anwendung des Resonanzprinzips eine wesentlich bessere Ausnutzung der Laserenergie. Damit ist gegenüber dem bekannten Isotopentrennverfahren, wie sie insbesondere zur Trennung von Uranisotopen Verwendung finden, eine weitere Erhöhung der Wirtschaftlichkeit gegeben.

7 Patentansprüche
17 Figuren

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   . Verfahren zur physikalischen Trennung von vorzugsweise gasförmigen Stoff- "bzw. Isotopengemischen nach H&uptpatent (Aktenzeichen: P 23 11 584.6 - VPA 73/9411), bei dem durch ein solches Stoff- bzw. Isotopengemisch wenigstens ein Strahl einer polarisierten elektromagnetischen Welle hindurchgeleitet wird und die Frequenz der elektromagnetischen Wellen so eingestellt werden, daß die einzelnen Bestandteile dieses Gemisches selektiv unterschiedlich in ihrem Dipolverhalten "beeinflußt und durch das elektrische und/oder magnetische Feld des Strahles entmischt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl der polarisierten Welle mit Hilfe eines Resonatorsystems eine stehende Welle bildet, die von der Strömung des zu trennenden Stoffgemisches durchquert wird und die stehende Welle so bewegt wird und/oder die Strömung des Stoffgemisches so geführt wird, daß zwischen der stehenden Welle und der Strömung des Stoffgemisches eine Relativbewegung stattfindet derart, daß ein Verbleiben von Stoffteilchen während der Durchquerung der elektromagnetischen Welle, beispielsweise eines Laserstrahles, im Bereich der Wellenknoten vermieden wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stehende polarisierte Welle durch ein Spiegelsystem in zwei praktisch parallele stehende Wellenzüge aufgeteilt wird, die in Richtung der optischen Achse um etwa eine'viertel Wellenlänge gegeneinander versetzt sind.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stehende Welle von der Strömung des Stoffgemisches derart schräg durchsetzt wird, daß die Stoffteilchen nacheinander von unterschiedlichen Amplitudenbereichen der stehenden Welle beeinflußt werden.

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   Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch ein mit einer Schlitzdüse
   versehenes, an eine hinsichtlich des Vakuums und der
   Kühlung einstellbare Trennkammer (G-) angeschlossenes,
   Vorratsgefäß (V) für das zu trennende Stoffgemisch, eine
   vor der Schlitzdüse (D) angeordnete Schlitzgitter (BLO)mit einer Vielzahl von parallel zum Düsenschlitz verlaufenden Schlitzen zur Aufteilung des Stoffgemischstrahles in eine Vielzahl von Einzelstrahlen, einem Lasergerät der benötigten Wellenlänge, das so angeordnet ist, daß dessen polarisierte, stehende Wellen (S) die Vielzahl von Stoffgemischstrahlen vor der Schlitzgitter (BLO) in ihrer ganzen Breite durchsetzen, einem weiteren in einer !Trennwand der Trennkammer angeordneten Schlitzgitter (BL1) sowie einer vor der Auffängerwand der Trennkammer (G-) angeordneten vielschlitzigen Gitter (BL2), wobei alle Schlitze der Schlitzgitter (BL1, BL2) und (BLO) so angebracht sind, daß sie auf geraden
   Verbindungslinien liegen.

   Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein entsprechendes Lasergerät (L) an einem auf entsprechende Temperaturen und Druck gehaltenen Reaktionsraum angebaut ist, das Stoffgemisch in
   der optischen Achse des Systems zuführbar ist und der Raum durch eine optisch durchlässige Blende oder Linse (IL)
   zur Zurückhaltung der durch das- elektrische leid abgelenkten Teilchen abgeteilt ist und die dadurch gebildeten Teilräume (R1 und R2) mit Absaugeinrichtungen für die
   getrennte Sammlung der Stoffgemischanteile (M1 und M2)
   versehen sind.

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   6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Ausnützung des magnetischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, daß an ein geschlossenes, evakuierbares und in seiner Temperatur einstellbares Behandlungsgefäß ein Lasergerät angeschlossen ist, ein Gasstrom des Stoffgemisches MT + M2 parallel zur Polarisationsebene der stehenden Welle (S) des Laserstrahles einführbar sowie ein für die in Richtung auf die Knotenflächen (KP) der stehenden Welle abgelenkten Stoffanteile geeignetes Auffängersystem (A) jeweils unterhalb dieser Knotenflächen (KP) angeordnet ist.

   7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung des Stoffgemisches auf einer Seite der stehenden Welle (S) Öffnungen einer Breite vonJL/4 und in einem Abstand von η . X/2 jeweils über Schwingungsbäuchen und unterhalb der stehenden Welle taschenförmige Auffänger in den Räumen zwischen den Zuführungsöffnungen vorgesehen

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