Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Тяжелая (тяжеловодородная) вода – прозрачная жидкость, химически идентичная «обычной» (легкой) воде H₂O, молекулы которой содержат один (дейтериевая) или два (тритиевая вода) избыточных нейтрона, локализованных в ядрах водорода. Использование тяжелой воды в ядерных реакторах позволяет существенно улучшить их нейтронный баланс, обеспечив возможность функционирования на необогащенном топливе. В этом случае «лишние» нейтроны, генерируемые делящимся материалом и не поглощенные водородом, могут быть направлены на получение различной изотопной продукции, при этом саму тяжелую воду можно использовать в качестве изотопного индикатора.
Ввиду изложенного задача контроля (мониторинга и/или поддержания) изотопного состава тяжелой воды представляет большую практическую важность. В настоящей работе мы предлагаем новый оптический прибор, использующий принцип резонансного усиления локального электромагнитного поля, – резонансную фотонную ловушку проточного типа – для экспресс-анализа и оперативной коррекции изотопного состава тяжеловодородной воды.
Как следует из химических данных, вода является сильнополярным растворителем, поэтому ковалентная связь O-H в молекуле H₂O электрически-полярна, то есть, чувствительна ко внешним электромагнитным полям. Рассматривая собственные колебания диполя O-H в присутствии внешнего оптического поля как движение полярного физического маятника под действием кулоновской вынуждающей силы, заключаем, что существенное различие в массах протия ¹H (1 а.е.м), дейтерия ²D (2 а.е.м.) и трития ³T (3 а.е.м.) позволяет отчетливо различить эти изотопы по положению пика в спектрах вторичного излучения тяжеловодородной пробы. Особенно удобным в этом отношении является метод спектроскопии вынужденного комбинационного рассеяния света, поскольку позволяет непосредственно установить количественное содержание различных изотопов водорода в пробе (интенсивность комбинационных спутников непосредственно определяется числом соответствующих осцилляторов).
На рис. 1 представлены результаты спектрального анализа проб очищенной тяжелой (100 % D₂O) и легкой (100 % H₂O) воды. Как видно из спектров, протиевая вода дает комбинационный пик на частоте около 3300 см⁻¹, дейтериевая вода проявляет себя в более низкочастотной области – 2400 см⁻¹. Обратим внимание на присутствие в спектре пробы тяжеловодородной воды слабого протиевого, а также едва заметного тритиевого пика (на частоте около 1200 см⁻¹), что свидетельствует о наличии в пробе D₂O незначительных количеств как H₂O, так и T₂O. Данное обстоятельство позволяет использовать комбинационные спектры тяжелой воды в качестве изотопного индикатора для реактора на тяжелой воде под давлением (Pressurised Heavy Water Reactor, PHWR).
Мониторинг PHWR требует высокоточного определения процентного изотопного состава циркулирующей тяжелой воды, поэтому для усиления сигнала комбинационного рассеяния мы предлагаем использовать резонансную фотонную ловушку проточного типа – оптический прибор, работающий по принципу резонатора Фабри — Перо. Для усиления разрешающей способности ловушки в ее стенках предлагается размещать оптически-активные подложки на основе фотонного кристалла. В этом случае локальное электромагнитное поле ловушки усиливается поверхностным плазмонным резонансом подложек, что приводит к формированию оптических таммовских состояний, гиперусиливающих комбинационный сигнал, что позволяет «разглядеть» спектр в мельчайших подробностях. При этом работа ловушки в активном режиме на частоте резонанса O-H, O-D или O-T позволяет разрушать связи и отщеплять катионы протия (H⁺), дейтерия (D⁺) или трития (T⁺) для дальнейшего выделения на внешнем катоде, что открывает возможности регулирования изотопного состава тяжеловодородной воды оптическим способом.
