Сублимационная очистка 99Мо методом лазерного сканирования

 

 

После обработки данных, полученных измерениями на масс-спектрометрометрическом устройстве, можно заключить, что в ходе упаривания различные составляющие раствора ведут себя по-разному, однако основная масса соли, содержащая молибден, высаживается на подложке.

Однако всякий процесс измерения сопряжён с возникновением ошибок, которые искажают представление о действительном значении измеряемой величины.

Результаты экспериментов показали, что полученные значения, отличаются от теоретических. Это, вероятно, свидетельствует о недостаточно точном подборе параметров процесса, что и явилось одной из причин потери ценных компонентов при проведении процесса.

Другими возможными источниками появления погрешностей (потерь при проведении упаривания), на мой взгляд, могут служить:

- субъективная погрешность (погрешность экспериментатора). Обычно обусловлена не точным соблюдением всех правил выполнения эксперимента;

- методическая погрешность – обусловлена применяемым методом измерения (далее МИ), который регламентируется нормативно-техническим документом.

Метрологические характеристики масс-спектрометрического  МИ,  с помощью которого определяли состав и измеряли массовые концентрации элементов,приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Метрологические характеристики МИ

В процентах

Диапазон измеряемых концентраций, мкг/л	вSr	θМВИ	±δ
От 0,1 до 1,0 включ.	4,4	8	10
Св. 1,0 до 1∙104 включ.	2,2	6	7

 

где  δ – границы интервала, в котором относительная погрешность  находится с вероятностью Р=0,95;

^вS_r – верхняя граница среднего квадратичного отклонения случайной составляющей относительной погрешности (показатель сходимости);

       θ_МВИ – границы интервала, в котором не исключённая систематическая составляющая относительной погрешности с вероятностью Р=0,95 [38].

- инструментальная погрешность – это погрешность применяемого средства измерения(определяется классом точности).

Уменьшение  размеров погрешностей (оптимизация  процесса упаривания на экспериментальной установке) – одна из главных поставленных задач.

Этого можно  добиться путем увеличения степени  герметичности установки, внимательности и аккуратности во время проведения экспериментов, улучшения качества промывания стенок тефлонового реактора и чистоты лабораторной посуды, обеспечения равномерности протекания процесса упаривания, путем замены электроплитки на водяную баню.

На гистограммах для молибдена и йода, приведенных на рисунках 11 и 12, продемонстрировано процентное распределение элементовпо частям установки.

Рисунок 11 - Распределение йода по частям установки в ходе упаривания

Йод ведет себя подобно молибдену, но более летуч и возгоняется  при более низких температурах. В результате проведения серии экспериментов показано, что основная часть массы йода собирается на поверхности холодильника.

 

Рисунок 12 - Эффективность осаждения молибдена на узлах установки

Стенки устройства практически не задерживают соль молибдена, и большая ее часть высаживается на ограниченной поверхности подложки.

Таким образом, подтверждена возможность использования тефлонового реактора  для концентрирования максимального количества молибдена при невысоких температурах проведения процесса.

 

2.5 Высокотемпературная сублимация молибдена

2.5.1 Эксперименты по сублимации с использованием пламени горелки

Для решения  основной задачи дипломной работы необходимо провести серию качественных экспериментов, направленных на определение самой  возможности перехода примесей и  молибдена на поверхность холодильника после высокотемпературного (кратковременного) воздействия.

Единственным  источником повышенной температуры  в условиях центральной заводской  лаборатории является газовая горелка, способная в минимально возможный  промежуток времени нагреть подложку из металла до температур начала сублимации, как примесей, так и молибдена.

 

Рисунок 13–Воздействие пламени горелки на подложку с нанесенной солью

Поверхность подложкинагревается температурами порядка 1000 ºС, мгновенно происходит фазовый переход веществ из твердого состояния в газообразное и конденсация паров на холодной поверхности (сублимация и десублимация).

Аппаратурное оформление процессапредставлено на рисунке 13.

Устройство для селективной сублимации и десублимации триоксида молибдена и сопутствующих примесей показано на рисунке 14.

В качестве поверхности для конденсации  паров использовалось стекло, так как оно слабо нагревается, и при высоких температурах проводимого процесса для разогретой подложки стекло, будет являться холодильником (и максимум прогреется до 400 ºС).

 

Рисунок 14 – Устройство для сублимации и десублимации соли молибдена и сопутствующих примесей

В качестве подложки были использованы материалы: нержавеющая сталь и карбид кремния.

Выбор материала подложки был обусловлен следующими факторами:

1 металл позволит провести качественную сублимацию паров молибдена за счёт нагрева обратной стороны подложки газовой горелкой. Количественного результата при этом получить не удастся, однако понять принципиальную возможность возгонки - конденсации (десублимации) паров молибдена на холодной поверхности данный метод позволит.

2 карбид кремния – материал, удовлетворяющий нас по своим теплофизическим и оптическим свойствам. Кроме этого с поверхности подложки из карбида кремния возможно сублимировать чистые металлы, нанесённые в виде солей без влияния материала подложки (не будет происходить испарение материала подложки).

Подложка из карбида кремния  по нашему мнению наиболее подходящая для сублимации паров молибдена  и его примесей, т.к. карбид кремния не прозрачен, по пористости не уступает сталям, стоек к температурам выше 1300 ⁰С, имеет высокую теплопроводность за счёт значительного количества кристаллических фаз и низкое термическое расширение [42].

В таблице 8 приведены результаты эксперимента по возгонке молибдена на пламени горелки. Эксперименты проводились при одинаковых условиях, а именно время эксперимента и расстояние от горелки до нагреваемой поверхности.

Таблица 8 – Результаты эксперимента по сублимации молибдена на пламени горелки

№ эксперимента	Объект  анализа	Масса молибдена, мкг	Эффективность десублимации, %
1	Подложка	43
	Холодильник	20	46,5
2	Подложка	15
	Холодильник	13	86,7
3	Подложка	68
	Холодильник	27	39,7

 

 

Рисунок 15 –  Эффективность десублимации молибдена  на холодной поверхности стекла

Как видно их таблицы 8 и рисунка  15 эффективность десублимации молибдена на холодной поверхности холодильника зависит от толщины слоя соли на поверхности подложки и составляет 50 %, при времени проведения процесса 15 сек.

Чем меньше (масса) слой солевого осадка, тем лучше проходит процесс сублимации – десублимации.

Таким образом, при нанесении соли на подложку необходимо стремиться к формированию относительно тонкого слоя.

Результаты качественных экспериментов в ЦЗЛ показали реальную возможность перехода молибдена и примесейна холодную поверхность холодильника с ограниченного подложкой пространства.

2.5.2 Эксперименты с использованием лазера

Количественные  эксперименты с применением лазерного излучения проводили на базе ООО «Лазерный центр» г. Санкт-Петербург (далее Центр).

ООО «Лазерный центр» является ведущим российским производителем лазерных систем и оборудования, обладает огромным научным потенциалом и опытом проектирования и изготовления лазерных станков, внедрения лазерных технологий в различные производства.

В Центре с участием специалистов проводили сублимацию и десублимацию соли молибдена с применением лазерного луча.

Работа заключалась в следующем: за счёт изменения мощности лазерного пучка с определённым шагом меняется температурное воздействие на подложку. За счёт этого на каждом этапе экспериментов сублимируется та или иная примесь или соль молибдена и десублимируется на стекле.

Стёкла менялись со сменой характеристик лазера (таблица 9).

Результатами количественных экспериментов стали зависимости концентраций и состава удаляемых в газовую фазу элементов от мощности лазера.

 

 

 

 

 

Таблица 9 - Характеристики лазера

№ эксперимента	Мощность, %	Скорость, мм/сек	Частота, кГц	Длительность  импульса, нсек
1	20	2000	47	4
2	40	то же	то же	то же
3	60	-//-	-//-	-//-
4	80	-//-	-//-	-//-
5	100	-//-	50	-//-
6	4	-//-	-//-	-//-
7	8	-//-	-//-	-//-
8	12	-//-	-//-	-//-
9	16	-//-	-//-	-//-
10	20	-//-	-//-	-//-
11	24	-//-	-//-	-//-
12	28	-//-	-//-	-//-
13	32	-//-	-//-	-//-
14	36	-//-	-//-	-//-
15	40	-//-	-//-	-//-
16	46	-//-	-//-	-//-
17	52	-//-	-//-	-//-
18	58	-//-	-//-	-//-
19	64	-//-	-//-	-//-
20	70	-//-	-//-	-//-
21	76	-//-	-//-	-//-
22	82	-//-	-//-	-//-
23	88	-//-	-//-	-//-
24	94	-//-	-//-	-//-
25	100	-//-	-//-	-//-

 

 

Селективность сублимации определяется температурным воздействием на подложку. Лёгкие примеси будут сублимироваться при более низких температурах, нежели непосредственно триоксид молибдена. Начальная температура сублимации триоксида молибдена лежит в диапазоне от 850 до 950 ⁰С.

Десублимация паров примесей и  триоксида молибдена происходит на стекле (рисунок 14), расположенном непосредственно над подложкой через ограничительное кольцо. Высота кольца варьируется от одного до трёх миллиметров. Стекло выбрано из-за низкой его теплопроводности и прозрачности для лазерного луча.

Луч лазера с определённой энергией будет выбивать из смеси солей  вначале лёгкие примеси, которые  мгновенно будут конденсироваться (десублимироваться) на холодной поверхности  стекла, и далее более тяжёлые  соли молибдена.

 

Рисунок 15 -Воздействие  луча лазера на подложку с нанесенной солью

 

Сублимация-десублимация примесей и  молибдена будет осуществляться на отдельные приёмники-стёкла.

 

2.6 Обработка результатов сканирования

На основании данных, полученных в ООО «Лазерный Центр», построили  графики. На графиках показали выход элементов при различных значениях энергии лазерного луча.

Таблица 10 – Результаты опытов по лазерному сканированию для подложки из металла

В условных единицах

Энергия, %	Al	Cr	Mn	Fe	Ni	Cu	Zr	Mo	I	Ce	Hg	Pb	U
20	33	72	112	58	55	597	623	72	85	33	15	44	27
40	54	153	179	107	95	1176	1616	131	145	51	28	239	42
60	69	253	224	144	135	1792	2694	177	208	61	39	337	50
80	84	457	270	185	182	2422	3681	212	249	70	48	401	58
100	96	775	307	229	244	3230	4809	257	298	77	58	463	63