Separação de Isótopos de Terras Raras usando Laser. Nicolau A.S.Rodrigues Instituto de Estudos Avançados

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1 Separação de Isótopos de Terras Raras usando Laser Nicolau A.S.Rodrigues Instituto de Estudos Avançados

2 Roteiro 1. Motivação: - Isótopos: o que são porque um determinado isótopo é mais interessantes que os outros - Terras raras: o que são e porque são importantes? 2. Fundamentos Físicos Interação radiação-matéria - Quantização da luz e da matéria - Absorção - Emissão Espontânea - Emissão Estimulada 3. Laser - Inversão de população - A ideia laser - Tipos de lasers (lasers sintonizáveis)

3 Roteiro 4. Separação de isótopos por laser - Desvio isotópico - Absorção por múltiplos passos - Fotoionização seletiva - AVLIS (SILVA) 5. Trabalhos desenvolvidos no IEAv relacionados a separação de isótopos de terras raras usando lasers.

4 1. Motivação: O que são isótopos? Mesmo número de prótons e diferente número de nêutrons nos núcleos Acarreta em: - diferença de massas; - diferença de spin nuclear; - diferença de volume nuclear. Os processos de separação isotópica são baseados nessas diferenças.

5 1. Motivação: Para que servem isótopos? U (99,3%) prótons; neutrons; - spin nuclear = 0 ~ 3% 235U > 45% 235U 235 U (0,7%) - 92 prótons; neutrons; - spin nuclear = 7/2 - interessante para produção de energia!!! > 20% 235U

6 1. Motivação: Para que servem isótopos? O 99mTc é o isótopo mais utilizado em medicina nuclear h Mo 99m Produção de 99Mo: - Fissão de urânio altamente enriquecido; Tc 6h - Ativação de 98Mo 98 Mo + n 99Mo Irradiando Mo natural com neutrons produz-se uma sopa de vários isótopos de Mo com uma pequena quantidade de 99Mo.

7 1. Motivação: Para que servem isótopos? - Dispositivos fotônicos; - Meios ativos de lasers; - Moderadores em reatores nucleares; - Baterias de longa vida para espaçonaves; - Sensores magnéticos...

8 1. Motivação Terras raras: o que são...

9 1. Motivação Terras raras:... e porque isótopos de terras raras são importantes? Estratégia Nacional de Defesa Tecnologias de Interesse da Defesa Nacional... Sensores Ativos e Passivos Sensores magneto-ópticos Sensores de radiação Fotônica; Lasers mais eficientes e mais potentes Guias de onda para óptica integrada Reatores Nucleares Absorvedores saturáveis (burnable poissons) Sistemas Espaciais. Baterias espaciais Reatores para propulsão nuclear

10 ==> Luz é onda eletromagnética transversal, com velocidade de propagação v = λν onde λ é o comprimento de onda no meio, tal que λ = λ 0/n, com λ0 sendo o comprimento de onda no vácuo, e ν a freqüência da onda. λ v 1 nm = 0, m!!!

11 Interação Radiação-Matéria Quantização da luz A luz é formada por glóbulos com energia E = hν cada um, onde ν é a freqüência da luz e h= 6, J s é a constante de Planck. Quantização da matéria Cada sistema microscópico possui um conjunto muito bem definido de níveis de energia. Só há um conjunto de níveis possíveis para cada sistema em particular.

12 Representação por níveis de energia Estados excitados Os estados possíveis de uma dada partícula são representados pelos níveis de energia correspondentes. Estado fundamental

13 Absorção E2 E = hν E1 Se E2 E1 hν, há uma probabilidade finita do átomo absorver o fóton e ser promovido para o nível 2. ==> Daí as raias negras no espectro solar! E2 E1

14 Espectro do sol, porque os buracos?

15 Emissão Espontânea E2 E1 Há uma probabilidade finita do átomo decair para o nível 1 e emitir um fóton com energia E = E2 E1= hν, E2 E = hν E1 ==> Daí os espectros de emissão característicos de cada substância!

16 Misturando Emissão espontânea com níveis de energia.

17 Emissão Estimulada Einstein, 1917 E2 E = hν E1 Se E2 E1 hν, há uma probabilidade finita do átomo decair e emitir um segundo fóton, gêmeo do primeiro. E2 E = hν E = hν E1

18 Em um sistema macroscópico... N1 átomos por cm3 no nível 1 N2 átomos por cm3 no nível 2. nf fótons por cm3 ressonantes com a transição dz n F =n F0 B n F N 2 N 1 dz Se N2 < N1, absorção Se N2 > N1, amplificação.

19 Inversão de população e mecanismo de bombeamento Sistema de 4 níveis E3 E2 E = hν = E3 - E0 E1 E0

20 A idéia LASER. Meio Ativo Espelho 100% refletor Bombeamento Espelho semi-refletor Tudo inicia-se com emissão espontânea... Continua com realimentação mais amplificação... E termina com a emissão de um feixe de luz de alta intensidade, colimado, monocromático e coerente.

21 Tipos de lasers CO2 HeNe Ruby Cobre Neodímio

22 E o que isso tem a ver com separação de isótopos? U prótons; neutrons; - spin nuclear = 0 U prótons; neutrons; - spin nuclear = 7/2 - físsil!

23 Fotoionização a múltiploslimite passos de ionização Estado excitado 2 Estado excitado 1 Estado fundamental - Um primeiro laser excita somente o 235U; - Um segundo laser excita mais uma vez esse Átomo para um nível ainda mais excitado; - Um terceiro laser é usado para excitar mais uma vez o átomo de modo que este seja ionizado (perca um elétron).

24 Esquema geral do processo

25 Primeiro precisamos de um vapor que contenha o isótopo desejado - Estão sendo realizados no IEAv estudos de evaporação de metais em câmaras de vácuo usando canhões de elétrons.

26 Ablação a laser Pluma altamente direcional Átomos, ions, gotículas - Estão sendo realizados no IEAv estudos de evaporação de metais em câmaras de vácuo usando canhões de elétrons e lasers (evaporação a laser e ablação a laser).

27 Precisamos ainda de laser adequados Lasers de corante podem ser sintonizádos desde o UV próximo até o IV próximo, em regime contínuo ou pulsado, com larguras de linha ajustáveis. Espectroscopia a laser

28 Precisamos saber quais comprimentos de onda o U absorve (Espectroscopia) Espectrômetro - Medindo-se a transmissão de feixes de lasers em função do comprimento de onda pode-se verificar em quais comprimentos de onda ocorre a absorção para o U; - cerca de linhas conhecidas do U na região do visível; Transmissão Laser sintonizável Amostra -identificar as sequências de 3 comprimentos de onda que promovem de maneira eficiente a fotoionização Comprimento de onda

29 Precisamos fotoionizar seletivamente e coletar 235U O vapor fotoionizado tem o comportamento de um plasma e a simples aplicação de um campo elétrico não é suficiente para extrair os íons; - Nas colisões entre íons e neutros ocorrem trocas de cargas, prejudicando a seletividade do processo; - Estão sendo estudadas configurações de eletrodos e de campos eletromagnéticos para a extração eficiente de foto-íons

30 Enriquecimento de urânio Objetivo: Desenvolver o processo de enriquecimento de urânio via interação entre laser e vapor atômico. 3-) Eletrodos polarizados extraem o 235U ionizado. 1-) Canhão de elétrons aquece amostra sólida de U gerando vapor atômico 2-) Lasers adequados iluminam o vapor, ionizando seletivamente o 235U. - Altos fatores de enriquecimento em uma única passagem; - Agrega alto desenvolvimento tecnológico (a Divisão de Fotônica é um sub-produto do projeto); - Processo pode ser empregado em separação de outros materiais de interesse aeroespacial. Trabalhos desenvolvidos no IEAv: - Desenvolvimento de lasers; - Espectroscopia a laser; - Estudos de separação e coleta; - Desenvolvimento de cadinhos resistentes ao U líquido; - Estudos de novos processos de separação a laser.

31 Projeto PASIL Objetivo: Desenvolver o processo de separação de terras raras usando ablação a laser e fotoionização seletiva Feixe de laser Armadilha de plasma - Altos fatores de enriquecimento em uma única passagem; - Separação de isótopos a partir de alvos complexos. Trabalhos desenvolvidos no IEAv: - Espectroscopia a laser; - Estudos de separação e coleta; - Ablação a laser;