DE2311584A1

DE2311584A1 - Trennverfahren

Info

Publication number: DE2311584A1
Application number: DE2311584A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Gregorius; Karl Dipl Phys Janner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-03-08
Filing date: 1973-03-08
Publication date: 1975-04-30
Also published as: GB1501238A; FR2306006B1; AU497752B2; FR2306006A1; US4115078A; AU8029675A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Er lärmen,, .07· ί'·.·~ 1973

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.50

Unser Zeichen: VPA 73/9411 Mü/Ant

Trennverfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von vorzugsweise gasförmigen Stoff- bzw. Isotopengemischen. Das Problem der Zerlegung von Stoffgemischen in deren Einzelanteile stellt sich in der Technik sehr häufig. Unter diese Aufgabenstellung fällt z.B. auch die An- und Abreicherung einzelner Stoffe in Stoffgemischen, so in der Kerntechnik bei der Anreicherung des spaltbaren Urans 235» das im natürlichen Isotopengemisch des Urans zu nur 0,7 # vorhanden ist. Die speziell für diesen Zweck angewandten Verfahren - z.B. in Gasdiffusionsanlagen - sind sehr aufwendig und dementsprechend auch sehr teuer. Dies beruht z.T. auch auf dem sehr hohen Energiebedarf. Aus diesem Grund wird nach anderen Möglichkeiten zur Erreichung dieses Zieles gesucht. In diesem Zusammenhang ist auch die Anwendung der Ultrazentrifuge zu sehen. Aber auch hier iat der apparative Aufwand noch sehr hoch.

Unter weitgehender Vermeidung der Nachteile der bisher bekannten Verfahren wird eine neue Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß durch ein gasförmiges Stoffbzw. Isotopengemisch wenigstens ein Strahl einer polarisierten elektromagnetischen Welle hindurchgeleitet wird und die Frequenzen der elektromagnetischen Wellen so eingestellt werden, daß die einzelnen Bestandteile des Gemisches selektiv unterschiedlich in ihrem Dipolverhalten beeinflußt und durch das elektrische und/oder magnetische Feld des Strahles entmischt werden.

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Wesentlich ist also dabei, daß die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung bzw. Strahlungen den zu trennenden Stoffarten angepaßt werden müssen. Umgekehrt ist es mi·,' diesem Verfahren dann auch möglich, unbekannte Stoffgemische zu analysieren qualitativ wie auch quantitativ. Hierfür wird dann eine Strahlungsquelle benötigt, die sich in ihrer Frequenz möglichst stufenlos verändern läßt.

Diesem neuen Verfahren liegen folgende physikalische Prinzipien zugrunde: Es gibt Moleküle, wis z.B. leichtes uder schweres Wasser, die ein permanente=? Dipclmomert besitzen. Werden solche Moleküle in ein elektrisches Feld gebracht, go erfahren diese Moleküldipole eine entsprechende Ausrichtung. Aber auch Moleküle, die wegen ihres symmetrischen Aufbaues im feldfreien Raum kein Dipolmoment besitzen, wie z.3. Uranhexafluorid, werden in einem elektrischen Feld infolge einer durch dieses hervorgerufenen kleinen Ladungsverschiebung polarisiert und erhalten ein induziertes Dipolmoment. Dieses Dipoimoment entspricht dem Produkt aus elektrischer Ladung und Abstand der Ladungsschwerpunkte.

Werden derartige Moleküle einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt, so führen sie erzwungene Schwingungen aus, d.h. bei Erregung durch eine Sinusschwingung schwingt auch das Dipolmomant mit der gleichen Frequenz.

In vorliegendem Falle gsht das elektrische Wechselfeld von einer elektromagnetischen Welle, beispielsweise einem Laserstrahl aus. Je nach der benötigten Wellenlänge kann auch z.B. ein Maserstrahl Verwendung finden. Zur Erzielung des erfindungsgemäßen Trennungseffektes ist es im Falle der Trennung durch das elektrische Feld wesentlich, daß die elektrische Feldecärke bezogen auf den Querschnitt des Strahles nicht überall den gle.:,.c;.en Wert besitzt, sondern eiri': ; raäieiiten in oder ge gor Fe?. '!richtung aufweist. Dadurch sire i ■ ·" i.:iu;^;r Pnie afc ϊ*· ■ j.-.-~ külcipols unterschiedlichen Felde;:-"' Ir- ,· ; '-.t , _:-r· da ^ auf den Mcie kiildipol eine clelc"-r:, . . .*<.-. ζ " 1., iin ^eI.-:|-,..-■--

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Molekulardipol hat nun je nach seiner stofflichen Zusammensetzung bestimmte Resonanzfrequenzen. Die Schwingungsamplituden des Molekulardipols sind am größten, wenn die erregende Frequenz der elektromagnetischen Schwingung der Resonanzfrequenz entspricht. Diese Amplitudenresonanzfrequenz liegt ganz in der Nähe der Eigenfrequenz des Moleküls. Die Amplituden werden dagegen bei höheren oder auch niedrigeren Frequenzen abnehmen. Diese Verhältnisse sind für den Fall, daß das Molekül nur eine Resonanzfrequenz besitzt, in Fig. 1 dargestellt. Auf der Abszisse sind die Frequenzen der elektromagnetischen Schwingung f aufgetragen, wobei j;; die Resonanzfrequenz eines solchen Molekulardipols darstellt. Auf der Ordinate ist dagegen das Amplitudenverhältnis m ( y) aufgetragen.

Zwischen dem erregenden Wechselfeld und der Schwingung des Moleküls ergibt sich eine Phasendifferenz, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese entspricht bezüglich der Abszisse der Darstellung in Fig. 1, auf der Ordinate dagegen ist die Phasendifferenz <* aufgetragen. Es ist daraus zu entnehmen, daß sich die Phasendifferenz zwischen dem erregenden Feld und dem erzeugten Dipolmoment 180° nähert, wenn die Frequenz des erregenden Feldes !·" geringfügig größer ist als die Eigenfrequenz des Moleküls. Es handelt sich also um eine nahezu gegenphasige Schwingung des Moleküls. Diese Phasendifferenz nähert sich dagegen Null, wenn die Frequenz des zu erregenden Feldes >■* kleiner ist als die Resonanzfrequenz. Dann handelt es sich um eine nahezu gleichphasige Schwingung.

Die bisherige Betrachtung galt für eine Molekülart. Sind dagegen zwei Molekülarten mit etwas verschiedenen Resonanzfrequenzen /- und 'p i^m erregenden Feld vorhanden, siehe Fig. 3, z.B. bei Isotopen, und liegt die erregende Frequenz >" zwischen diesen beiden, so schwingt die Molekülart 2 nahezu gleichphasig und die Molel;ülart 1 nahezu gegenphanig zum erregenden Feld. Dies bedeutet auch, daß die beiden Mclekülarten im inhomogenen

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erregenden Feld in entgegengesetzten Richtungen abgelenkt werden.

Die Verteilung des elektrischen Feldes, z.B. in einem linearpolarisierten Laserstrahl, ist schematisch in Fig. 4 für einen Zeitpunkt dargestellt. Diese Verteilung wird als Mod TEM bezeichnet. Das Feld hat nur eine Richtung und nimmt in seiner Stärke in bzw. gegen Feldrichtung ab, nach einer Funktion, die durch den Aufbau der Strahlungsquelle, also z.B. des Lasers beeinflußbar ist. In der oberen Halbebene werden gleichphasig schwingende Dipole nach unten, gegenphasig schwingende nach oben abgelenkt, in der unteren ist die Ablenkungsrichtung wegen des entgegengesetzten Gradienten des elektrischen Feldes umgekehrt. Sollen alle gleichartigen Moleküle nur nach einer Richtung abgelenkt werden, so wird entweder bei einem Strahldurchgang nur eine Halbebene ausgenutzt oder man muß eine unsymmetrische Feldverteilung erzeugen, wobei der Gasstrahl nur Bereiche ohne Wechsel der Feldrichtung und der in Feldrichtung fallenden Komponente des Gradienten durchsetzt.

Ist die erregende Frequenz der elektromagnet! sehen Welle kleiner oder größer, als die beiden Resonanzfrequenzen/^ und )V> > ^so haben die Molekülarten gegeneinander nur eine kleinere Phasenverschiebung und werden in die gleiche Richtung abgelenkt. Ihre Amplituden, d.h. die Beträge der Dipolmomente und damit die Ablenkkraft unterscheiden sich jedoch erheblich, wenn die erregende Frequenz ;'in der Nähe einer Resonanzfrequenz liegt. In letzterem Falle ist dann ebenfalls eine unterschiedliche Auslenkung der verschiedenen Molekülarten und damit eine Trennungsmöglichkeit gegeben.

Zur weiteren Veranschaulichung dieser Verhältnisse sei auf die Tabelle verwiesen, in der die Ablenkungsverhältnisse der Moleküle M1 und M2 in einem linearpolarisierten Laserstrahl mit Mod TEM dargestellt ist. Die Frequenzlagen für die Fälle bis 6 sind in Fig. 6 grafisch veranschaulicht.

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Ablenkung der Moleküle M₁ und M₂ in einem linear pol. Laserstrahl mit Mod TEM

oo

Pall

siehe
Pig. 6

Frequenzlag·

Phasenver- Amplituden Schiebung verhältnis nacheilend d. Dipolmomente

.- Laserstrahl

genutzter Querschnitt siehe Pig.4

Ablenkung

Richtung Größe

+ » gleichsinnig z. Peldriohtg.

- « gegensinnig ^{M n}

y «

1 « O

2 «* O

« O

CJD CO

_Ä O

ganz

M₁ obere Hälfte -

^Ί unt. " +

obere Hälfte -^M

stark O

⁹⁰

J 1< 180

f2 <

90

obere Hälfte

mittel mittel

90

obere Hälfte

stark O

Vi < ν

1»180°

obere Hälfte

O stark

/^Bn J ^{bre i-t β}

^ endlich

90"

ganz

obere Hälfte +

l. unt.

sr* = £ mittel

J* bedeutet wenig kleiner als

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Aus dem Gesagten geht hervor, daß die stärkste Ablenkwirkung auftritt, wenn der Amplitudenunterschied groß und die Ablenkrichtung verschieden ist.

Diese Ablenkphänomene lassen sich für eine Trennung der Molekülarten ausnutzen, wenn die Moleküle z.B. als Molekülstrahl durch die elektromagnetische Welle hindurchgeleitet werden. Die Auslenkung der einzelnen Moleküldipole durch das" elektrische Feld bewirkt dann für diese eine spezifische Richtungsänderung im Molekülstrahl. Durch räumlich dementsprechend verteilte Auffängerζoneη können dann die voneinander getrennten Bestandteile des Molekülstrahles, die ursprünglich innig vermischt waren, getrennt aufgefangen werden. Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, daß sich die Divergenz der elektromagnetischen Welle vermindern läßt durch die Einstellung der Dichteverteilung innerhalb des Gasstrahles und/oder die Wahl der Frequenz der elektromagnetischen Welle bezüglich ihrer Lage zur Resonanzfrequenz. Dies beruht auf dem damit zu beeinflussenden frequenzabhängigen Brechungsindex der Welle in Gasstrahlbereichen unterschiedlicher Dichte. Ein Ausführungsbeiapiel für eine Einrichtung zur Durchführung dieser Trennung wird später beschrieben.

Neben diesen elektrischen Kräften können auch noch magn? tische Kräfte für die Trennung von verschiedenen Molekülarten verwendet werden. Dies ergibt sich daraus, daß schwingende elektrische Ladungen der polarisierten Moleküle einen Wechselstrom darstellen, dessen Träger im magnetischen Wechselfeld nach dem Induktionsgesetz eine ablenkende Kraft erfährt. Der Kraftvektor verläuft dann parallel zur Richtung bzw. Gegenrichtung der elektromagnetischen Welle, also z.B. des Laserstrahles, Wesentlich ist hierfür, daß das Dipolmoment der abzulenkenden Moleküle bei einer normalerweise fortschreitenden Welle der Feldstärke um einen Winkel von vorzugsweise 45 '■- ( \ 135 nacheilt, also phasenverschoben ist.

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Zur Ausnutzung der auf diese Weise erhaltenen magnetischen Kräfte genügt es, eine verhältnismäßig langsame Gasströmung durch eine elektromagnetische Welle zu bestrahlen. Eine Einrichtung zur Ausnutzung dieser Erscheinungen für die Trennung von Molekülarten wird ebenfalls später in einem Ausführungebeispiel beschrieben. Im Falle einer stehenden Welle dagegen - diese kann bekennterweise durch eine Reflexion erzeugt werden - werden unter den gleichen Frequenzbeziehungen nur innerhalb der Bereiche von J /4, die durch die Maxima und Minima der elektrischen und magnetischen Feldstärke gekennzeichnet sind, Kräfte ohne Wechsel der Richtung erzeugt.

Anhand der weiteren Figuren 7 bis 9 werden Einrichtungen zur Durchführung der bis jetzt nur theoretisch erörterten Trennungsverfahren erläutert. Die Fig. 7 und 8 zeigen in einem Vertikal- und Horizontalschnitt eine Anlage zur Trennung verschiedener Moleküle durch das elektrische Feld. Diese liegen zunächst in einem Stoffgemisch vor, das beispielsweise aus einem chemisch einheitlichen Stoff, jedoch mit unterschiedlichen Isotopen bestehen kann.

Die Trenneinrichtung besteht aus einem flachen evakuierbaren Kasten 1, der durch eine thermisch isolierende Wand 3 in einen Vorratsraum 2 für das zu trennende Stoffgemisch 21 und einem evakuierten Raum 5 unterteilt ist. Beide Räume sind über eine langgestreckte Lavaldüse 4 miteinander verbunden und der Kaum 5 ist dann nochmals durch eine Blende 52 in zwei Teile und 53 unterteilt. Diese Blende hat die Aufgabe, den aus der Düne kommenden Gasstrom an seinen Rändern so zu beschneiden, daß er möglichiit parallel weiterläuft und nur noch eine sehr geringe Divergenz aufweist. Unmittelbar nach der Blende 52 durchsetzt ein Bündel von Laserstrahlen 6 den flachen Gasstrahl. Der Vektor dee elektrischen Feldes des linear polarisierten Laserstrahles int senkrecht orientiert. Der in der Strahlungsquelle 63 erzeugte Laserstrahl tritt durch das Fenster 64 in den Reuktionari'um 53 ein. Spiegelanordnungen 61 und 62 sorgen

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dafür, daß der Strahl mehrmals hin- und herläuft und dabei den Molekulargasstrom durchsetzt.

Die Rückwand der Kammer 1 ist als Auffangzone 54 und 55 ausgebildet, auf der sich die durch das elektrische Feld des Laserstrahles abgelenkten unterschiedlichen Teile des Stoffgemisches niederschlagen. Sie können dort z.B. mit zusätzlichen, nicht dargestellten Kühleinrichtungen kondensiert oder auch in an sich bekannter Weise abgesaugt und in Kühlfallen zurückgewonnen werden.

Das in der Vorratskammer befindliche Stoffgemisch 21 wird dabei so gewählt, daß es bei möglichst niedrigen Temperaturen einen größeren Dampfdruck von z.B. einer Atmosphäre aufweist. Dieses Gas des Stoffgemisches strömt dann durch die Lavaldüse 4 aus, erreicht dabei unter Abkühlung eine sehr hohe Geschwindigkeit und die Gestalt eines sich nur wenig aufweitenden Gasstrahles. Die Temperaturabsenkung ist wichtig, damit der Gasstrahl nicht durch die Wärmebewegung der einzelnen Teilchen zu sehr divergiert. Da dieser Zustand jedoch nicht hundertprozentig erreichbar ist, hat die Blende 52 die Aufgabe, die divergierenden Anteile des Gasstrahles oben und unten abzuschälen. Diese Teilchen bleiben im Raum 51 und werden dort durch Kühlung oder Abpumpen ähnlich zurückgewonnen wie die die Auffangzonen 54 und 55 erreichenden Teilchen. Wie in der Figur dargestellt, wird dabei die eine und/oder die andere Molekülart senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aus dem Gasstrahl abgelenkt. Die länge des Ablenkungsraumes 53 ergibt sich dabei aus dem durch die Ablenkungskraft innerhalb der elektromagnetischen Strahlung verursachten Geschwindigkeitsgewinn senkrecht zur Gasstrahlrichtung sowie der Geschwindigkeit der Restdivergenz und dem Querschnitt des unabgelenkten Gasstrahles. Der Trenneffekt kann also nur dann richtig ausgenutzt werden, wenn eine ge-

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nügende räumliche Entfernung der unterschiedlichen Auftreffzonen 54 und 55 gegeben ist. Es kann dabei von Vorteil sein, diese beiden Zonen zusätzlich durch in Strahlrichtung verlaufende Wände 56 voneinander zu trennen.

Als Beispiel für die Größenanordnung dieser Einrichtung sei erwähnt, daß die Dicke des Austrittsstrahles aus der Lavaldüse 4 etwa 1,2 χ 10 cm, der Abstand zwischen der Lavaldüse und der Blende etwa 1 cm und die Länge des Ablenkraumes 53 etwa 100 cm beträgt. Die Breite des Gasstrahles richtet sich dabei nach der durchzusetzenden Stoffmenge.

Für die Trennung beispielsweise der Uranisotope U 235 und U in Form von Uranhexafluorid sind dann etwa folgende Verhältnisse zu erwarten bzw. einzustellen: Die Temperatur im Vorratsraum beträgt 329 K, damit sich ein Druck von 1 bar einstellt. Im Raum 51 sollte der Druck kleiner 10" bar und im Ablenkraum kleiner als 10~ bar sein, damit die freie Weglänge der einzelnen Teilchen größer als die vorhandenen Plugstrecken für dieselben sind. Dies kann einfach durch Kühlen eines Teiles dieser Räume auf Temperaturen von 197 K bzw. 178 K für den Ablenkraum 53 erreicht werden. Die Frequenz der Laserstrahlung beträgt 1,9 · 10 see" , die Laserstrahlleistungsdichte etwa 3 x 10 W/cm . Bei einer Gasstrahlbreite von 1 in* einer engsten Spaltweite der Lavaldüse von 0,025 mm und einer Ausnützung des Düsenstrahles von 10 % ergibt sich ein Massendurchsatz von etwa 1,5 g pro Sekunde. Wird dabei der Laserstrahl etwa 20mal durch die Spiegelanordnungen 61/62 hin- und hergeführt, kann mit einer nahezu vollständigen Trennung gerechnet werden. Vorteilhaft ist es, eine Strahlungsquelle zu verwenden, die in ihrer Frequenz einstellbar ist, um die Laserstrahlfrequenz hinsichtlich Trenneffekt und Absorptionsverlusten des Laserstrahles optimal einstellen zu können.

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Die Wahl geeigneter Erregerfrequenzen wird am Beispiel des HCl-Moleküls (mit permanentem Dipolmoment) zur Trennung der Clorisotope Cl 37 und Cl 35 erläutert. Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus dem P-Zweig des Absorptionsrotations- schwingungsspektrums nach S. Mizushima et al: "A Report on the Perkin-Elmer Grating Spectrometer Model 112 G"; Perking · Eimer Corporation 1959. Geeignete Frequenzen liegen am Fuße der Linien und in der Senke zwischen den eng benachbarten

», ι -1

Maximas, also bei den Wellenzahlen 2800 cm" , 2797 cm" und

2795 cm

Ein weiteres Beispiel sei die Trennung von Bor 10 und Bor Hierfür kommt beispielsweise die Verbindung BF, infrage . Die geeigneten Frequenzen liegen für das Bor 10 in Wellenzahlen ;■ ausgedrückt (/ = Frequenz/Lichtgeschwindigkeit) bei

um -1

1-1 -1

1505 cm und 482 cm , für das Isotop Bor 11 bei 1454 cm

und 480 cm

Beispiele von Molekülen ohne permanentes Dipolmoment sind die Hexafluoride UF₆, WF^, NpF^ und PuFg. Bei diesen kommen nur Frequenzen inf rage, die nahe bei Eigenschwingungen liegen, bt .■:'■ welchen ein Dipolmoment induziert wird. Solche sind jene Grundschwingungen, die in der Literatur (z.B. Kazuo Nakamoto, "Infrared Spectra of Inorganic and Coordination Compounds", John Wiley and Sons Inc. 1970) als S 3 bzw. '"4 bezeichnet werden und Kombinations- bzw. Oberschwingungen, bei welchen ' 3 und - 4 beteiligt sind.

Die infragekommenden Wellenzahlen für die genannten Fluoride sind nachstehend tabellarisch zusammengestellt:

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UF₆	P	NpP	6	P	PuF₆	,1	P
619,4	Q			Q		,0	Q
624,4	R			R		,0	R
629,8	P
179,0	Q	193	,0	201
186,2	R	198	,6	206
190,6	202	,7	211

WF₆

712

Vorzugsweise wird eine Frequenz der Bandenflanke bzw.-Kante gpwählt.

Di·; in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellte Trennanordnung kfnn selbstverständlich konstruktiv noch weitgehend abgewandelt wnien, so z.B. hinsichtlich der Volumina der einzelnen Kammer-, der Ausbildung der Blende, der Auffangzone usw.

^T)" Yi?,, 9 zeigt nchemntisch eine Anordnung zur Trennung von Stoffgemischen mit Hilfe der magnetischen Komponente einer elektromagneti sehen Welle, in diesem Falle einer Laserstrahlung, D.ese Einrichtung besteht aus einem dünnen Rohr mit den Abechnitten 101, 102, 103, die durch für die Strahlung durchlässige Wände 116 voneinander getrennt sind. Jeder dieser E.^:nzelabschnitte ist mit einem Zulauf 110a, b oder c für das gasförmige Stoffgemisch versehen, für den Austritt der in diesen Abschnitten 101, 102 und 103 getrennten Gemischanteile sinti die Abführungsstutzen 111a, b und c bzw. 112a, b und c vorgesehen. Pei Laserstrahl 115 tritt in dieser Darstellung a<if der link« Seite in die Vorrichtung ein, wird auf der rechten Seite durch ein Spiegelsystem 117 umgelenkt und tritt

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erneut auf der linken Seite über das Spiegelsystem 118 wieder in die Vorrichtung ein. Diese Spiegelsysteme 117/118 sind dazu so ausgeführt, daß die parallelen Laserstrahlen den Querschnitt der Trennkammern (101, 102, 103 usw.) weitgehend ausfüllen. Die Einzelabschnitte dieser Einrichtung können dabei parallel für sich betrieben werden, jedoch ist auch eine kaskadenförmige Hintereinanderschaltung möglich, die zur Erhöhung der Trennwirkung beitragen würde.

Der Durchmesser der Trennkammern 101, 102, 103 usw. hängt vom Laserstrahldurchmesser ab, bei dem die erforderliche Leistungsdichte von etwa 10 W/cm erreicht wird. Er beträgt z.B. bei

_o einer Laserleistung von 3 KW etwa 1,5 · 10 cm. Die Länge dieser einzelnen Trennkammern beträgt für diesen Fall ca. 7 mm. Bei einem Eintrittsdruck von 1 bar und einer Strömungsgeschwindigkeit von 9 m/s (laminare Strömung) beträgt der Durchsatz durch eine Trennkammer etwa 2 . 10 g/sek. Bei einem Parallelbetrieb von 100 dieser kleinen Zellen ergibt 3ich im Dauerbetrieb ein Durchsatz von 6 t pro Jahr. Als Materialien für die Kammern kommen bei einem Durchsatz von UFg z.B. Aluminium, Nickel, Teflon infrage, für die Fenster Bariumfiuorid.

Dieses neue Trennverfahren mit elektrischen und/oder magnetischer. Feldern läßt sich nicht nur zur Trennung von Gemischanteilen verwenden, vielmehr ist damit auch die Möglichkeit gegeben, die einzelnen oder einzelne Bestandteile unbekannter Gemische zu identifizieren. In Ergänzung zu den bereits beschriebenen Ablenkungseinrichtungen ist dazu im wesentlichen nur eine variable Strahlungsquelle erforderlich, bzw. mehrere Strahlungsquellen, die sich in ihrem Frequenzbereich ergänzen. Zur Untersuchung solcher unbekannter Gemische wird dann die eingestrahlte Frequenz solange verändert, bis ein Trennungseffekt auftritt. Bereits die dabei verwandte Frequenz gibt einen Hinweis auf den abgetrennten Stoff, außerdem kann derselbe nunmehr auf normale chemische oder physikalische Weise weiter untersucht werden. Es kann dabei aweckmäßig sein, die

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zur Identifizierung der abgetrennten Materie benötigten Apparaturen mit der Trennungaapparatur selbst zusammenzubauen.

Wird anstelle des breiten Gasstrahles in der Anordnung nach Fig. 7 und 8 ein in beiden Dimensionen des Querschnittes schmaler Gasstrahl (durch entsprechende Formung von Düse und Blende) mit sehr geringer Divergenz (-M/^2 groß im Vergleich zu Fig. 7) erzeugt, so wird neben der Ablenkung durch das elektrische Feld auch die Ablenkung durch das magnetische Feld der Lichtwelle nachweisbar. Auf diese Weise gibt die Ablenkung des Gasstrahles in Abhängigkeit von der Frequenz des Laserstrahles ein Maß für das induzierte Dipolmoment und seine Phasenlage zum elektrischen bzw. magnetischen Feld der Lichtwelle. Dies erlaubt Rückschlüsse auf den Aufbau der Moleküle.

20 Patentansprüche 9 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur physikalischen Trennung von vorzugsweise gasförmigen Stoff- bzw. Isotcpengemischen, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein solches Stoff- bzw. Isotopengemiach wenigstens ein Strahl einer polarisiarten elektromagnetischen Welle hindurchgeleitet wird und die Frequenzen der elektromagnetischen Welle so eingestellt werden, daß die einzelnen Bestandteile dieses Gemisches selektiv unterschiedlich in ihrem Dipolverhalten beeinflußt und durch ('as elektrische und/oder magnetische Feld des Strahles entmiuoh"?- werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der Strahl so inhomogen ausgebildet ist, daß sein elektrisches Feld in Polarisationsrichtung Gradienten aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai3 zur Ausnutzung des magnetischen Feldes eine elektromagnetiscre Strahlung verwendet wird, deren elektrisches und magnetisches Feld praktisch gleichphasig schwingen und deren Frequenz nicht oder nur wenig von einer Eigenfrequenz eines der r.u trennenden Stoffe abweicht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausnutzung des elektrischen Feldes eine elektromagnetische Strahlung verwendet wird, bei der der Vektor des Dipolmomentes um 0 bis -60° bzw. -120 bis -180 gegenüber dem elektrischen Feld phasenverschoben ist, was durch Wahl der Frequenz der eingestellten elektromagnetischen Welle kleiner bzw. größer einer Einschwingungsfrequenz wenigstens eines der zu trennenden Stoffe erzielt wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der polarisierten elektromagnetischen Welle ein Laser oder Maser verwendet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Stoff- bzw. Isotopengemisch wenigstens im Wirkungsbereich der Strahlung gasförmig ist.

7. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen das Stoff- bzw. Isotopengemisch unter Anwendung der bekannten Reflexionstechnik mehrfach hintereinander auf praktisch parallelen Bahnen durchsetzen.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Welle das Stoff- bzw. Isotopengemisch unter Anwendung der bekannten Reflexionstechnik auf praktisch parallelen Bahnen in gleicher Richtung mehrfach durchsetzt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 4 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß das Stoff- bzw. Isotopengemisch als scharf gebündelter Gasstrahl senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung von der elektromagnetischen Welle durchsetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteverteilung innerhalb des Grasstrahles so eingestellt und/oder die Frequenz der elektromagnetischen Welle in ihrer Lage zur Resonanzfrequenz so gewählt wird, daß unter Berücksichtigung des frequenzabhängigen Brechungsindex die Divergenz vermindert wird.

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11. Einrichtung zur Durchführung dea Verfahrens nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorratsgefäß für das Gemisch vorgesehen ist, daß dieses Gefäß vorzugsweise über eine Lavaldüse mit einem evakuierten Ablenkraum in Verbindung steht und daß eine Laserstrahlquelle mit Reflexionseinrichtung so angebracht ist, daß der Laserstrahl an der Schmalseite des Gasstrahles eintritt und senkrecht zur Strömungsrichtung desselben verläuft .

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lavaldüse einen schlitzförmigen Querschnitt hat und die Laserstrahlungsquelle so angeordnet ist, daß der ganze Laserstrahl oder der Teilquerschnitt mit gleichgerichtetem Gradienten des elektrischen Feldes den aus der Düse austretenden Gasstrahl in seiner ganzen Breite durchsetzt.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lavaldüse und Laserstrahlbahn eine der Form der Düse angepaßte Blende zur Verringerung der Divergenz des Gasstrahles vorgesehen ist.

H. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftrefffläche für den Gasstrahl am Ende des Ablenkraumes vorzugsweise durch Scheidewände voneinander getrennte Zonen für die getrennten Anteile des Gemisches unterteilt ist.

15. Einrichtung nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zonen kühlbar sind und/oder mit an sich bekannter Absaugevorrichtungen für die Gewinnung der Gemischanteile verbunden sind.

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16. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach

Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung, z.B. ein Laserstrahl, innerhalb eines Rohres verläuft, das mit einer Zuführungsleitung für das Gasgemisch und je einer Abführungsleitung für die Gemischanteile vor und hinter dieser Zuführungsleitung versehen ist.

17- Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere solcher Trenneinriohtungen hintereinander angeordnet und von der gleichen Strahlungsquelle durchstrahlt sind.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Trenneinrichtungen hinsichtL ich der Stoffzu- und Abfuhr kaskadenartig miteinander verbunden sind.

19. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 10 für die Stoffanalyse gasförmiger Gemische mit Hilfe einer in seiner Frequenz veränderbaren elektromagnetischen Strahlungsquelle bzw. mehrere derartiger sich in ihrem Frequenzbereich ergänzender Quellen.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Stoffgemisch in Gestalt eines gut gebündelten, sehr dünnen Gasstrahles vorliegt und die Auffangfläche am Ende des Ablenkraumes mit Abtasteinrichtungen zur Ermittlung und Feststellung der Gemischanteile versehen ist.

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