[发明专利]金属铯的提纯方法

说明书

本发明涉及金属铯的提纯方法，特别是用超高真空蒸馏法提纯金属铯制备超高纯频标铯的方法。

超高纯频标铯是制造原子钟的关键元件-铯束管的原料，其纯度直接影响铯束管的各项参数和使用寿命，进而影响原子钟的质量。随着军事工业和现代科技的迅速发展，对原子钟提出了更高的要求，这就要求制备出更高纯度的铯，即需进一步降低铯中的杂质，特别是性质与其相近且难于分离的其他碱金属，特别是铷的含量。一般要求铯的纯度达到99.999%，碱金属含量尽可能低，通常为～1×10^-3%。

目前，制备频标铯一般均用较纯的金属铯作原料，在超高真空下用多级蒸馏的方法来制备，如《云南冶金》1973年第一期报导了昆明贵金属研究所在温度不超过350℃和真空度不低于（1～5）10^-7毫米汞柱下两次多级蒸馏（每次6级）来提纯铯，美国专利3702762公开了用U-型管逐步蒸馏法提纯铯的装置，上述方法蒸馏温度高，设备庞大、方法烦琐、操作复杂、过程冗长。

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点与不足，提出一种设备与装置简单、操作亦较为简便、蒸馏温度低且提纯效果好的从金属铯制备超高纯（Cs≥99.999%）频标铯的方法。

本发明所述的制备超高纯频标铯的方法是对现有超高真空多级蒸馏法的一个重大改进，其特点是在超高真空蒸馏前，往原料铯中通入一定量的空气，以控制氧化原料铯中所含的碱金属杂质特别是铷为氧化物，然后在1.33322×10^-4，帕和较低的温度（170-180℃）下蒸馏出超高纯铯蒸气，进而冷却成液态铯，而使其中的杂质以氧化物的形式留在蒸馏残渣中。

由于铯化学性质极为活泼，在空气中会燃烧，加上其熔点较低，蒸气压高，故可用超高真空蒸馏的方法来提纯，以除去蒸气压低的以化合物形式存在的杂质和不易挥发的金属杂质，但由于碱金属元素之间化学性质极相近，难于彼此分离。蒸发速度的计算表明，利用碱金属之间蒸发速度和相对挥发度的差异，在较低温度（低于200℃）下进行蒸馏可使铯与钾和钠分离，但仍难从铯中有效地分离铷。本发明利用碱金属氧化物的蒸气压比相应的碱金属低得多性质，设法把存在于铯中的碱金属（特别是铷）杂质转变为相应的氧化物，则有利于在蒸馏过程中将其与铯相分离;同时从碱金属氧化物生成自由能数据可知，铷对氧的亲和力大于铯对氧的亲和力，因此，当往原料铯中通入控制数量的氧时，存在于铯中的铷将优先被氧化成氧化铷，并且部分被氧化的铯，也会被铷还原成铯：

这样由于铷被氧化成氧化铷，在蒸馏过程中，有利于它富集在蒸馏残渣中，从而大大提高铯的提纯效果。

为使铯中的铷能充分被氧化，而又不使大量的铯也被氧化造成损失，必须控制通入的氧量，一般可通过控制通入的空气体积来进行，按理论计算，为使铷氧化成为氧化铷，每一原子铷需要1/2原子的氧，为此蒸馏提纯前先按铯中铷的含量计算出为将铷氧化成氧化铷所需的理论空气量，然后按此理论量的5-15倍计算出实际应通入的空气量，这样既能使铷氧化完全，确保铯产品质量，又不致使铯大量被氧化，使损失增大。

由于本发明在超高真空蒸馏前加进了控制氧化工序，因此可采用较低的蒸馏温度，一般在170-180℃即可，另外也不必采用多级蒸馏，只要用一简单的蒸馏管进行单级蒸馏。

本发明所用的蒸馏装置，除应用普通的真空设备外，蒸馏在一简单的蒸馏管中进行，蒸馏管可用硬质玻璃制造，蒸馏管前端与真空系统连接，末端为半球形封闭，其外部设置电阻加热器加热，通过变压器控制蒸馏温度，蒸馏管中部有一小口与接受器相连，以收集冷凝的铯蒸气。

欲提纯的铯装于玻璃铯瓶中，在操作箱中经控制氧化后，立即移入蒸馏管末端，连接真空系统，然后启动真空系统和加热系统，达到预定参数值后，蒸馏开始，铯蒸气慢慢挥发蒸出，当蒸出量达到60%左右的部分为产品，继续蒸出的部分为一级产品，残渣留在蒸馏管中。

本发明应控制的主要技术工艺条件为：

1.控制氧化的氧量：空气量为将铷氧化成氧化铷所需理论量的5-15倍;

2.蒸馏温度：170-180℃;

3.真空度：1.33322×10^-4帕;

4.蒸出率：50-60%（指每次从原料蒸取50-60%作为超纯产品，其余为一级产品）。

本发明与现有技术相比具有下列优点与积极效果：

1.可有效地除去碱金属杂质，制得超纯金属铯产品;