基于分子蒸馏原理的频标用金属铯内同族元素分离新方法研究

The interferer of Na K and Rb in alkali metal cesium has been restricted the development of the cesium atom clock in our nation. In this research,considering the dificiency of common vacuum distillation during separating the same group elements, We study the new method which based on the theory of molecule distillation to separate those same group elements in the metal cesium,exploring the problems in this method,there has greadtly important significance in elucidating the rules of separating other same group elements using molecule distillation. In this research, consulting the former common vacuum distillation work in preparing metal cesium, we bring forward the new method based on the theory of molecule distillation to preparing metal cesium. we set up a new experiment model based on molecule distillation,then we will ameliorate the apparatus apply to alkali metals molecule distillation. and then choosing metal cesium to experiment , separating other alkali metals. Improve on the former thchnology , Bring out a new technology to preparation very high pure alkali metals.To supply best quality alkali metals for atom clock in the nation.

碱金属铯内同族元素Na、K、Rb的干扰问题是目前制约我国原子钟性能进一步提高的瓶颈问题。本项目针对普通真空蒸馏方法难于分离同族元素的问题，研究基于分子蒸馏原理分离铯中同族金属元素的方法，探索分子蒸馏在分离同族金属元素方面的问题，对阐明同族金属元素在分子蒸馏条件下的分离规律具有重要意义。 本课题在前期普通真空蒸馏制备金属铯研究的基础上，提出了基于分子蒸馏原理制备频标用金属铯的新方法。根据分子蒸馏原理，建立实验模型；改造现有的真空蒸馏系统，建立起碱金属分子蒸馏实验条件；再选取碱金属元素铯进行实验，分离其中掺杂的同族元素。拟解决目前同族元素难于分离的问题，为制备超高纯碱金属提供一种新的方法，为制备符合我国铯原子钟研制所需要的金属铯原料奠定基础。

为了满足铯原子频率标准对金属铯的要求，需要开展高纯度金属铯的制备研究。目前，国内外普遍采用真空蒸馏的方法制备频标用金属铯原料，但是真空蒸馏难以去除与铯性质相似的同族碱金属杂质。本项目采用了分子蒸馏的方法对金属铯内同族元素的分离进行了研究，并取得了多项重要的研究成果。具体如下：（1）针对碱金属同族元素的物理化学性质相似的情况，选择了刮膜式分子蒸馏的方法进行研究，通过理论分析和比较，最终选用了既适用于低雷诺数流动又适用于旋转坐标系的RNG K-ε双方程湍流模型，建立了金属铯分子蒸馏流体力学模拟模型。（2）根据所选的蒸馏模型，选择FLUENT6.3作为计算软件，建立计算模型，分别开展了刮膜器刮板形状、大小对蒸发液膜流场的影响、刮膜器转速对蒸发液膜流场的影响和液膜厚度对蒸发液膜流场的影响三方面的模拟，获得了基本参数：蒸发器刮板直径为4mm，刮板数量为3个；刮膜器转速设定在180round/min；进料速率在3.5g/min。在此参数下湍流流场的稳定性较好，液膜厚度均匀。根据该参数，设计了分子蒸馏器，对分子蒸馏器的性能进行了研究。（3）选取碱金属元素铯进行实验，分离其中掺杂的碱金属同族元素，对碱金属同族元素分离技术进行研究。将制得的超高纯金属铯用于铯原子频标的研制中，整钟性能得到大幅提高。