激光分離同位素理論與技術

目錄前言 第1章 激光分離同位素概述 1 1.1 引言 1 1.2 激光分離同位素的發(fā)展概況 5 1.3 激光分離同位素的基本原理 6 1.3.1 光譜的同位素位移 6 1.3.2 選擇性激發(fā)及其對激光器的要求 7 1.3.3 能量轉移和選擇性損失 8 1.4 原子法激光分離同位素 8 1.5 分子的選擇性離解分離同位素 10 1.5.1 紅外多光子離解 10 1.5.2 紅外雙頻多光子離解 16 1.5.3 UF6分子的電子激發(fā)態(tài)和紅外+紫外雙頻離解分離同位素 17 1.6 激光化學法分離同位素 25 1.6.1 激光光化學反應概念 25 1.6.2 激光光化學反應條件 26 1.6.3 激光光化學反應類型 26 1.6.4 激光光化學反應動力學 26 1.6.5 激光分離鈾同位素 27 1.7 激光化學法分離同位素的經(jīng)濟性分析和展望 29 1.7.1 方法簡述 29 1.7.2 分離同位素方法的經(jīng)濟性比較 30 1.7.3 低振動能態(tài)激發(fā)激光化學法分離鈾同位素的經(jīng)濟性分析 30 參考文獻 42 第2章 分子法激光分離同位素 46 2.1 分子法激光分離鈾同位素的光譜依據(jù)和相關原理 46 2.2 仲氫受激拉曼激光器 48 2.3 過冷 UF6 的獲取 49 2.4 分子法激光分離鈾同位素 56 2.4.1 單頻紅外多光子離解 57 2.4.2 雙頻或多頻紅外多光子離解 57 2.4.3 低振動能態(tài)或振動能態(tài)的選擇激發(fā)+紫外光離解 58 2.5 分子法激光分離同位素的相干激發(fā)理論 59 2.5.1 引言 59 2.5.2 三能級系統(tǒng)布洛赫方程組 60 2.5.3 雙光子共振相干相互作用方程組的解 61 2.5.4 雙光子離共振布洛赫方程及其解 65 2.5.5 同位素相干選擇激發(fā)及分離系數(shù)的計算 68 參考文獻 69 第3章 分子光譜和分子碰撞基礎理論 70 3.1 分子光譜基礎理論 70 3.1.1 分子的轉動 70 3.1.2 分子的振動 73 3.2 分子碰撞基礎理論 77 3.2.1 碰撞機制 77 3.2.2 碰撞截面 78 3.2.3 分子間與分子內傳能 79 參考文獻 81 第4章 UXy（X=F，Cl，Br，I;y =4，6）和 U2F6分子光譜的理論分析 82 4.1 背景介紹 82 4.1.1 UX4（X=F，Cl，Br，I）分子的性質和研究進展 82 4.1.2 UX6（X=F，Cl，Br，I）分子的性質和研究進展 83 4.2 計算方法介紹 84 4.2.1 密度泛函理論 84 4.2.2 計算程序 88 4.3 理論結果介紹與分析 89 4.3.1 不同對稱性的UF4分子結構和振動頻率 89 4.3.2 UX4（X=F， Cl，Br，I）分子的平衡結構和振動頻率 94 4.3.3 UF6分子結構和振動頻率 100 4.3.4 UCl6分子結構和振動頻率 104 4.3.5 UBr6分子結構和振動頻率 107 4.3.6 UI6分子結構和振動頻率 109 4.3.7 特別計算的UF6和U2F6分子的振動頻率和同位素位移 112 參考文獻 116 第5章 UF6分子的簡正振動和振動躍遷 121 5.1 分子點群 121 5.2 UF6分子的對稱元素及對稱操作群 121 5.2.1 Oh群的群元素 121 5.2.2 Oh群元素分類 123 5.2.3 群的子群、商群和直接乘積 123 5.3 Oh群的表示 125 5.3.1 群的表示 125 5.3.2 群表示的個數(shù) 127 5.3.3 以簡正坐標為基的完全已約表示 128 5.3.4 Oh群特征標表 130 5.3.5 以直角位移坐標為基的特征標計算 137 5.3.6 簡正振動及平動、轉動對稱類的確定 142 5.3.7 簡正振動的描述 143 5.4 UF6分子的振動躍遷 146 5.4.1 振動能級和波函數(shù) 146 5.4.2 振動基態(tài)波函數(shù) 148 5.4.3 振動基頻波函數(shù) 149 5.4.4 泛頻波函數(shù) 150 5.4.5 合頻波函數(shù) 155 5.4.6 選擇定則 157 5.4.7 基頻、合頻、泛頻、差頻躍遷，(001101)→(004101)等躍遷分析和能級分裂 158 5.4.8 分子的熱態(tài)集居概率和熱帶頻移 165 5.4.9 熱態(tài)加寬的紅外激活帶的光子吸收截面 166 參考文獻 175 第6章 UF6振動激發(fā)態(tài)分子的振動-振動弛豫 176 6.1 引言 176 6.2 UF6同位素分子振動-振動能量轉移 177 6.3 小結 183 參考文獻 184 第7章 熱化學反應 185 7.1 化學反應及反應動力學基礎 185 7.1.1 基本概念 185 7.1.2 反應特性、活化能和溫度對反應速率常數(shù)的決定性影響 188 7.1.3 活化能 188 7.1.4 碰撞、閾能 191 7.1.5 碰撞理論對Arrhenius公式特性常數(shù)A的部分解釋 194 7.1.6 化學反應中同種分子的碰撞和碰撞抑制 195 7.1.7 過渡態(tài)勢能面和反應途徑 197 7.1.8 過渡態(tài)處理方法 198 7.2 UF6 的化學反應 205 7.2.1 UF6的物理化學特性 205 7.2.2 UF6與HBr的反應 206 7.2.3 UF6與HCl的反應 206 參考文獻 219 第8章 光化學反應 220 8.1 光化學反應概念 220 8.2 振動激發(fā)化學反應 220 8.3 低振動能態(tài)激光化學 225 8.3.1 低振動能態(tài)光化學與熱化學反應速率常數(shù)比 225 8.3.2 激光光化學反應動力學 226 8.4 腔內選擇性激光化學的優(yōu)勢 227 8.4.1 光諧振腔的波場模式 227 8.4.2 含激光介質和光化學反應物的諧振腔的振蕩閾值條件 228 8.4.3 腔內選擇性激光光化學反應的激發(fā)優(yōu)勢 230 參考文獻 237 第9章 流動混合氣體的選擇性光化學反應 238 9.1 流動情況下的選擇性光化學反應分析 238 9.1.1 基本考慮 238 9.1.2 反應池內流區(qū)分析 239 9.1.3 參數(shù)選擇、產(chǎn)率和濃縮系數(shù) 242 9.1.4 反應池和激光束參數(shù)對分離效果的影響及流動氣體反應池的優(yōu)勢 247 9.2 靜態(tài)選擇性光化學反應 250 參考文獻 253 第10章 非等溫低溫混合氣與光化學反應 254 10.1 氣體的非等溫混合 254 10.2 混合氣體理論簡述 256 10.2.1 混合氣體的玻爾茲曼方程 256 10.2.2 玻爾茲曼方程的零級和一級近似解 259 10.2.3 混合氣體的擴散系數(shù)和熱傳導系數(shù) 265 10.3 二元混合氣 273 10.3.1 二元混合氣的擴散系數(shù)和熱傳導系數(shù) 273 10.3.2 UF6與HCl（或HBr）混合氣的擴散和熱傳導系數(shù) 283 10.3.3 二元混合氣的擴散流 287 10.4 低溫對低振動能態(tài)光化學反應的重要性 288 10.4.1 增加基態(tài)粒子數(shù)和提高同位素分子光譜分辨率 288 10.4.2 提高同位素分子光吸收截面比 290 10.5 混合氣的非等溫冷卻技術 292 10.5.1 非等溫冷卻技術理論計算 292 10.5.2 UF6與HCl混合氣光化學反應池的冷卻 294 10.6 非等溫條件下的碰撞問題 295 10.6.1 非等溫條件下碰撞的一般性描述和公式 295 10.6.2 反應池橫截面內一維溫度變化下的碰撞 305 10.6.3 反應池橫截面內溫度徑向變化下的碰撞 309 10.6.4 反應池內溫度徑向變化對光化學反應的有利趨向 313 參考文獻 315 第11章 低振動能態(tài)激發(fā)激光化學法分離鈾同位素 316 11.1 引言 316 11.2 CO激光催化光化學反應的鈾同位素分離 317 11.3 雙激光系統(tǒng)（CO和CO2）的光化學反應模型 324 11.4 KV-V值 332 11.4.1 能量共振轉移主要發(fā)生在較高振動能級間 332 11.4.2 KV-V計算公式 333 11.4.3 KV-V估算 336 11.5 反應池內氣體的轉動與激光分離同位素 337 11.5.1 邊界及氣體分布狀態(tài) 338 11.5.2 旋轉條件下氣體的同位素分子分布狀態(tài) 346 11.6 激光與混合氣相作用分離同位素的其他方案（利用HBr的方案） 354 11.6.1 光化學反應與熱化學反應的速率常數(shù)比 354 11.6.2 溫度、活化能、指前因子等對反應速率常數(shù)影響的具體分析 356 參考文獻 359 第12章 低振動能態(tài)激發(fā)激光光化學反應分離鈾同位素的激光系統(tǒng) 361 12.1 可調諧折疊共軸CO激光和CO2激光系統(tǒng) 361 12.2 可調諧陣列CO激光系統(tǒng) 365 12.3 豎直反應室激光光化學反應同位素分離系統(tǒng) 369 參考文獻 372