激光同位素分离技术在从辐照过的天然镱中制备高比活度169Yb方面的理论评估

《Applied Radiation and Isotopes》：Theoretical assessment of laser isotope separation for the production of high-specific-activity 169Yb from irradiated natural ytterbium

本研究通过密度矩阵形式分析激光-原子相互作用，确定三步光致电离法分离钇-169的最优系统配置，实现63.1%富集度、4.2μg/小时的产量，并指出在中高流率反应堆中可提高至一至两个数量级活度。

　　

M. Sankari | M.V. Suryanarayana

印度安得拉邦维沙卡帕特南的Bhabha原子研究中心

摘要：

我们通过三步激光光电离过程，理论上研究了从经过辐照的天然镱（Yb）中分离出¹⁶⁹Yb的方法。通过将密度矩阵方法应用于三步光电离过程中的激光-原子相互作用，确定了用于富集¹⁶⁹Yb的激光同位素分离系统的最佳配置。研究表明，可以从低通量反应器中辐照的天然镱中生产出浓度为63.1%的¹⁶⁹Yb，产量为每小时4.2微克（或每天100微克），相当于每天2.4 Ci的放射性。使用该配置，可以从中等或高通量反应器中辐照的天然镱中生产出浓度更高（高出1到2个数量级）的¹⁶⁹Yb。这是首次关于¹⁶⁹Yb激光同位素分离的研究。

章节摘录

引言

¹⁶⁹Yb是一种重要的放射性同位素，其半衰期（T_1/2）为32.018天（表1）。它通过电子捕获过程完全衰变为¹⁶⁹Tm，并释放出平均能量为93 keV的γ射线。这远低于¹⁹²Ir的380 keV（Ryan T Flynn等人，2019年）。因此，¹⁶⁹Yb的高剂量率近距离放射治疗（HDR-BT）的优势在于其屏蔽要求比¹⁹²Ir的HDR-BT更容易满足（Lymperopoulou等人，2006年）。¹⁶⁹Yb同位素被用于...

理论基础

镱（Yb）是一种稀土元素，其基态构型为6s^{2 1}S₀（0 cm^-1），电离势为50443.2 cm^-1（6.254 eV）。由于激光同位素分离中常用的可见光区域的高重复率激光的光子能量大约为2 eV，因此需要三步光电离过程来电离镱。

（参考文献：Sankari和Suryanarayana，1998年；Sankari等人，2008年；Suryanarayana和Sankari，2021年；Suryanarayana和Sankari...）

结果与讨论

到目前为止，尚未报道¹⁶⁹Yb和¹⁷⁵Yb的光电离方案中共振跃迁的同位素位移。然而，可以通过King图分析（King，1984年）准确计算这些位移。跃迁的同位素位移包括场位移和质量位移，可以表示为： $$ 其中F和M分别代表场位移和质量位移参数，而 $$ 表示平均平方核电荷半径的差异。

电荷交换碰撞

电荷交换碰撞显著阻碍了激光同位素分离过程。在多步光电离过程中产生的光离子通过正交电场被提取。然而，在这些光离子穿过电场的过程中，它们容易与原子蒸汽发生电荷交换碰撞。电荷交换碰撞的概率可以通过以下公式计算： $$ 其中，σ是共振电荷交换截面（cm²），d是...

产率

产率可以使用以下公式计算： $$ 其中b是激光束直径（cm），p是¹⁶⁹Yb能级的分数占空比，l是激光-原子相互作用区域的长度（cm），d是相互作用区域内的原子数密度（atoms/cm³），A是目标同位素的分数丰度，f是分数通量（相对于未受阻碍的原子束的通量），η是从密度矩阵计算得出的电离效率，i是...

CRediT作者贡献声明

Suryanarayana MV：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，软件开发，方法论，研究，概念化。 M. Sankari：撰写 – 原始草稿，可视化，验证，方法论，研究，形式分析，数据管理

未引用的参考文献

Tkachev和Yakovlenko，2003年；Park等人，2008年；Park等人，2010年；Siegel等人，2023年；Flynn等人，2019年；Sanjay等人，2015年；Sergei，1998a；Yakovlenko，1998b；Sakabe和Izawa，1992年；Shibata等人，2008年；Lu和Wang，2023年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢维沙卡帕特南Bhabha原子研究中心的计算分析部门提供用于本研究的超级计算机设施。