Faculté des sciences de base SB, Section de chimie et génie chimique, Institut des sciences et ingénierie chimiques ISIC (Laboratoire de chimie physique moléculaire LCPM)

Overtone pre-excitation - infrared multiple photon dissociation under collisional conditions : new potential for laser isotope separation

Polianski, Mikhail Nikolaevich ; Rizzo, Thomas (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3084.

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    Summary
    With a view towards developing a method for molecular laser isotope separation (MLIS) of carbon, silicon and nitrogen, this work investigated the overtone pre-excitation - infrared multiple photon dissociation (OP-IRMPD) of CF3H, SiHCl3 and NH3. The study of isotopically selective OP-IRMPD of CF3H resulted in a qualitative understanding of the dynamics of the OP-IRMPD process under collisional conditions. This understanding prompted us to make some crucial improvements which made the OP-IRMPD based approach to laser separation of carbon isotopes economically feasible. The typical value of isotopic selectivity reached in our experiments is 2000-3000 at the highest yield and can be further increased up to at least 7000-8000 with a simultaneous drop in productivity. We have also performed an estimation of the required parameters for an industrial-scale separation and of the energy consumption by a single separation act. The experimental study of OP-IRMPD of the SiHCl3 molecule has shown a limited applicability of this approach on this molecule for highly selective silicon isotope separation due to the low discrimination in the dissociation of pre-excited vs. ground state molecules under the conditions of moderate dissociation yield. Overtone pre-excitation of the ammonia molecule makes its multiphoton dissociation considerably easier and allows a high level of discrimination in dissociation of pre-excited vs. ground state molecules. However the high fluence of the dissociation laser required for effective multiphoton excitation of NH3 makes the OP-IRMPD approach on this molecule impractical for MLIS. We have shown that the probability of the dissociation of a pre-excited ammonia molecule depends on the pre-excitation level and on the wavelength of the dissociation laser.
    Résumé
    Afin de développer une méthode de séparation moléculaire des isotopes par laser (MLIS1) du carbone, du silicone et de l'azote, nous avons étudié le processus de la pré-excitation overtone – dissociation multiphotonique infrarouge (OP-IRMPD2) des molécules CF3H, SiHCl3 et NH3. Les investigations sur le processus sélectif par isotopes OP-IRMPD de la molécule CF3H ont amené à la compréhension qualitative de la dynamique du processus OP-IRMPD sous des conditions de collision. Cette compréhension nous a permis de faire quelques améliorations importantes donnant des perspectives intéressantes à une application sur une échelle industrielle du processus OP-IRMPD pour la séparation des isotopes par laser. La valeur typique de la sélectivité isotopique dans nos expériences est de 2000-3000 dans des conditions de productivité maximale. Cette valeur peut même être augmentée à 7000-8000. On observe alors une diminution simultanée de la productivité. Nous avons également estimé les paramètres nécessaires à l'installation industrielle et à la dépense d'énergie pour un acte de séparation. Les études expérimentales du processus OP-IRMPD de la molécule SiHCl3 ont montré la possibilité d'application limitée de l'approche pour cette molécule pour la séparation à haute sélectivité des isotopes du silicone. C'est la conséquence de la discrimination faible entre la dissociation des molécules pré-excitées et celle des molécules à l'état fondamental. La pré-excitation overtone de la molécule d'ammoniaque facilite considérablement sa dissociation multiphotonique et permet d'atteindre un haut niveau de discrimination entre la dissociation des molécules pré-excitées et celle des molécules à l'état fondamental. Cependant, le haut flux d'énergie du laser de dissociation, nécessaire à une excitation multiphotonique efficace de la molécule NH3, rend l'approche OP-IRMPD inefficace sur cette molécule. Nous avons montré que la probabilité de la dissociation d'une molécule pré-excitée d'ammoniaque dépend du niveau de la pré-excitation ainsi que de la longueur d'onde du laser de dissociation. ------------------------------ 1Molecular Laser Isotope Separation (angl.) 2Overtone Pre-excitation – InfraRed Multiple Photon Dissociation (angl.)