Акимов Д.В., Егоров Н.Б., Жерин И.И.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

ИЗМЕНЕНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА СВИНЦА

В ПРОЦЕССЕ ЗОННОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Эффект изотопного обогащения при кристаллизации как солей, так и металлов известен достаточно давно [1]. Паулем, Сью и Новелем в 1958 году была предпринята попытка концентрирования тяжелой воды методом зонной перекристаллизации [2]. Исследовались смеси дейтерия, содержащие 0,98 % и 1,96 % D₂O соответственно. Для смеси, содержащей 0,98 % D₂O, было установлено, что в результате 40 зонных проходов концентрация в начале образца составляла 0,995 %, а в последней зоне – 0,964 %. Аналогичная обработка раствора, содержащего 1,96 % D₂O, позволила получить концентрацию 2,07 % в начале и 1,885 % в конце образца. Проведенные эксперименты с водой свидетельствуют о возможности изменения изотопного состава материалов, имеющих очень прочные химические связи (водородная связь). Представляло интерес исследование изменения изотопного состава у металлов, атомы которых связаны между собой металлической связью.

Выбор свинца в качестве объекта исследования связан с тем, что свинец является образцовым материалом у металлов для изучения термодинамических, кинетических и сверхпроводящих свойств. Исходный свинец содержал природную смесь изотопов: ²⁰⁴Pb = 1,394%; ²⁰⁶Pb = 25,02; ²⁰⁷Pb = 21,52; ²⁰⁸Pb = 52,07.

В установке для ведения процесса зонной перекристаллизации, имеющей 5 зон перекристаллизации, была использована кварцевая трубка, внутренним диаметром 1 мм, заполненная свинцом, длина образца составляла 100 мм. Параметры процесса: температура нагрева 400 ⁰С, температура элементов охлаждения ~ 23 °C, скорость движения зоны расплава 3 см/час, количество зон перекристаллизации 30. После завершения процесса зонной перекристаллизации кварцевая трубка разрезалась на образцы длинной 10 мм. Изотопный анализ проводился на масс-спектрометре МХ 1301 Т.

Начальные эксперименты со свинцом показали, что при многократной зонной перекристаллизации изменение его изотопного состава не происходит.

Известно изменение изотопного состава в процессе зонной перекристаллизации при воздействии постоянного магнитного поля [1, 2].

При исследовании влияния магнитного поля на изменение изотопного состава свинца в процессе зонной перекристаллизации использовали постоянные магниты с напряженностью магнитного поля 0,3 Тл. Напряженность магнитного поля измеряли при помощи датчика Холла.

По результатам изотопного анализа был рассчитан коэффициент разделения в начальной зоне перекристаллизации, который составил α(²⁰⁸Pb) = 1,0001136.

На рисунке 1 представлены данные по распределению изотопов свинца по длине слитка.

Рис.1. Распределение стабильных изотопов свинца по длине слитка после 10 зон перекристаллизации.

При исследовании распределения стабильных изотопов свинца по длине слитка были обнаружены осцилляции по всему слитку. Было предположено, что с увеличением количества зон перекристаллизаций, будет наблюдаться сглаживание полученных осцилляций. Однако осцилляции наблюдаются и при увеличенном количестве зон перекристаллизации.

Изменение изотопного состава свинца можно объяснить следующим образом. Согласно [1], для определения эффективного коэффициента распределения можно использовать выражение Бартона, Прима и Слихтера:

,

где K₀ – равновесный коэффициент распределения, f – скорость роста кристаллов, d – толщина диффузного слоя перед фронтом кристаллизации, D – коэффициент диффузии.

Из уравнения следует, что отличие эффективного коэффициента распределения K от равновесного коэффициента распределения K₀ будет тем сильнее, чем больше коэффициент диффузии D и меньше толщина диффузного слоя d перед фронтом кристаллизации. Известно [1, 2], что на эффективность зонной перекристаллизации значительно влияет процесс перемешивания. Принимая во внимание, что толщина диффузного слоя d зависит от интенсивности перемешивания (при слабом перемешивании расплава d~10^-1 см, при энергичном перемешивании d~10^-3 см), то влияние магнитного поля на изменение изотопного состава свинца в условиях зонной перекристаллизации может быть связано с более интенсивным перемешиванием расплава перед фронтом кристаллизации.

Таким образом, в ходе проведенных исследований было выяснено, что посредством зонной перекристаллизации изменять изотопный состав свинца возможно. Однако для разделения изотопов и тем более для получения высокообогащенного свинца из свинца, имеющего природный изотопный состав, метод зонной перекристаллизации не пригоден.

Литература:

1. В. Пфанн. Зонная плавка. – М.: Мир, 1970. – 361 c.

2. Херингтон Е. Зонная плавка органических веществ. – М.: Мир, 1965. – 260 с.