JP3205429B2 - 荷電粒子分離方法 - Google Patents
荷電粒子分離方法Info
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- JP3205429B2 JP3205429B2 JP11969093A JP11969093A JP3205429B2 JP 3205429 B2 JP3205429 B2 JP 3205429B2 JP 11969093 A JP11969093 A JP 11969093A JP 11969093 A JP11969093 A JP 11969093A JP 3205429 B2 JP3205429 B2 JP 3205429B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、イオンサイクロトロン
共鳴（以下、単にＩＣＲという）技術を利用した荷電粒
子（イオン）分離の方法に関するものであり、マス・フ
ィルターや同位体分離に応用することができる。
共鳴（以下、単にＩＣＲという）技術を利用した荷電粒
子（イオン）分離の方法に関するものであり、マス・フ
ィルターや同位体分離に応用することができる。
【０００２】
【従来の技術】現在、同位体分離に利用されている電磁
気的な方法は、大型の磁場偏向型の質量分析を利用する
のが主である。また、ＩＣＲを応用した分離方法も研究
されており、これは、磁場中でのイオンのサイクロトロ
ン運動を選択的に共鳴・加速して、共鳴イオンと非共鳴
イオンとを径方向に分離するものである。
気的な方法は、大型の磁場偏向型の質量分析を利用する
のが主である。また、ＩＣＲを応用した分離方法も研究
されており、これは、磁場中でのイオンのサイクロトロ
ン運動を選択的に共鳴・加速して、共鳴イオンと非共鳴
イオンとを径方向に分離するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ここで、本発明の分離
方法は、従来のものとは全く異なる原理を用いたもので
あり、その特徴とするところは、 （１）スリットなどを通さないので、イオンの損失が少
ない。 （２）複雑な電極構造やイオン光学系が必要ないので、
セルの構造が単純で精度も必要としない。 （３）非常に高い均一度の磁場は必要ないので、マグネ
ットは小型ですみ、装置全体としてもコンパクトにまと
めることができる。 などの効果を有する全く新しい原理に基づいた複数種類
の荷電粒子（イオン）を空間的に分離（抽出）するもの
である。
方法は、従来のものとは全く異なる原理を用いたもので
あり、その特徴とするところは、 （１）スリットなどを通さないので、イオンの損失が少
ない。 （２）複雑な電極構造やイオン光学系が必要ないので、
セルの構造が単純で精度も必要としない。 （３）非常に高い均一度の磁場は必要ないので、マグネ
ットは小型ですみ、装置全体としてもコンパクトにまと
めることができる。 などの効果を有する全く新しい原理に基づいた複数種類
の荷電粒子（イオン）を空間的に分離（抽出）するもの
である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、荷電粒子が電
場と磁場によって空間的にトラップされているとき、サ
イクロトロン共鳴と磁場の径方向成分を利用して、前記
荷電粒子に軸方向の力を与え、この力の向きをイオン種
ごとのサイクロトロン運動と共鳴加速させるトラップ振
動の周期を考慮したタイミングによって制御し、２種類
の荷電粒子を軸方向に空間的に分離するようにしたこと
を特徴とする。
場と磁場によって空間的にトラップされているとき、サ
イクロトロン共鳴と磁場の径方向成分を利用して、前記
荷電粒子に軸方向の力を与え、この力の向きをイオン種
ごとのサイクロトロン運動と共鳴加速させるトラップ振
動の周期を考慮したタイミングによって制御し、２種類
の荷電粒子を軸方向に空間的に分離するようにしたこと
を特徴とする。
【０００５】
【作用】本発明によれば、径方向成分を持つ磁場中にお
けるＩＣＲを利用して、イオンをその質量の違いによっ
て空間的に分離する方法であり、これは、サイクロトロ
ン共鳴して速度が大きくなったイオンが、径方向磁場成
分によって速度と径方向に垂直な方向、すなわち軸方向
（Ｚ方向）に力を受け、セル中での位置を変化させる現
象を利用するものである。
けるＩＣＲを利用して、イオンをその質量の違いによっ
て空間的に分離する方法であり、これは、サイクロトロ
ン共鳴して速度が大きくなったイオンが、径方向磁場成
分によって速度と径方向に垂直な方向、すなわち軸方向
（Ｚ方向）に力を受け、セル中での位置を変化させる現
象を利用するものである。
【０００６】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明するが、
本発明の荷電粒子分離方法では、軸方向成分（ＢZ）だ
けでなく、径方向成分（Ｂr）をもつソレノイドなどの
磁場発生器と、その磁場内に設置された真空容器内のＩ
ＣＲセルを基本的な構成要素としている。
本発明の荷電粒子分離方法では、軸方向成分（ＢZ）だ
けでなく、径方向成分（Ｂr）をもつソレノイドなどの
磁場発生器と、その磁場内に設置された真空容器内のＩ
ＣＲセルを基本的な構成要素としている。
【０００７】ここで、このＩＣＲセルは、図１に示すよ
うな構造の公知のセルである。図１において、励起電極
１ａ，１ｂおよび検出電極３ａ，３ｂは、それぞれ矩形
円弧状に湾曲形成されていて、励起電極対および検出電
極対として用いられるものであり、各電極対が互いに直
交するように配置されていて、円筒型の検出部Ａを構成
している。トラップ電極５ａ，５ｂは、円形に形成さ
れ、励起電極１ａ，１ｂと検出電極３ａ，３ｂで形成さ
れる円筒型の検出部Ａの両端を塞ぐように配置されてい
る。なお、トラップ電極５ａ，５ｂの中央部には貫通孔
７，８が設けられている。フィラメント９，グリッド１
０および加速電極１１は、トラップ電極５ａの貫通孔７
に向かって、電子線を出力する電子銃Ｂを構成してい
る。この電子銃Ｂから出力される電子線は、トラップ電
極５ｂの貫通孔８を通ってコレクタ１２に入射される。
うな構造の公知のセルである。図１において、励起電極
１ａ，１ｂおよび検出電極３ａ，３ｂは、それぞれ矩形
円弧状に湾曲形成されていて、励起電極対および検出電
極対として用いられるものであり、各電極対が互いに直
交するように配置されていて、円筒型の検出部Ａを構成
している。トラップ電極５ａ，５ｂは、円形に形成さ
れ、励起電極１ａ，１ｂと検出電極３ａ，３ｂで形成さ
れる円筒型の検出部Ａの両端を塞ぐように配置されてい
る。なお、トラップ電極５ａ，５ｂの中央部には貫通孔
７，８が設けられている。フィラメント９，グリッド１
０および加速電極１１は、トラップ電極５ａの貫通孔７
に向かって、電子線を出力する電子銃Ｂを構成してい
る。この電子銃Ｂから出力される電子線は、トラップ電
極５ｂの貫通孔８を通ってコレクタ１２に入射される。
【０００８】このように構成される円筒型の検出部Ａ内
で生成されて捕らえられるイオンは熱エネルギーの速度
で回転運動し、その回転半径は小さく、位相もイオン毎
にバラバラで、そのまま検出することは困難である。そ
こで磁場に平行な励起電極１ａ，１ｂにサイクロトロン
共鳴周波数の交流電圧を印加して、イオンを強制的に加
速する。これにより、イオンの位相は揃って、速度は増
し、その回転半径は大きくなる。そして、加速されたイ
オンは、磁場に平行な検出電極３ａ，３ｂにより検出さ
れる。
で生成されて捕らえられるイオンは熱エネルギーの速度
で回転運動し、その回転半径は小さく、位相もイオン毎
にバラバラで、そのまま検出することは困難である。そ
こで磁場に平行な励起電極１ａ，１ｂにサイクロトロン
共鳴周波数の交流電圧を印加して、イオンを強制的に加
速する。これにより、イオンの位相は揃って、速度は増
し、その回転半径は大きくなる。そして、加速されたイ
オンは、磁場に平行な検出電極３ａ，３ｂにより検出さ
れる。
【０００９】また、図１のＩＣＲセルの各電極へは、図
２に示すように、外部から直流電圧や交流電圧を任意の
シーケンスに従って印加できるようになっており、実験
シーケンスを発生するパルス・シーケンサー、検出用励
起に用いる信号発生器、イオン化時の電子ビームを制御
する電子銃制御装置、フィラメント用電流源、電子ビー
ムの加速用電圧源やトラップ用電源などの各種電源、そ
してシーケンサーをコントロールするパーソナルコンピ
ュータから構成される。
２に示すように、外部から直流電圧や交流電圧を任意の
シーケンスに従って印加できるようになっており、実験
シーケンスを発生するパルス・シーケンサー、検出用励
起に用いる信号発生器、イオン化時の電子ビームを制御
する電子銃制御装置、フィラメント用電流源、電子ビー
ムの加速用電圧源やトラップ用電源などの各種電源、そ
してシーケンサーをコントロールするパーソナルコンピ
ュータから構成される。
【００１０】このような構成において、以下に本発明に
関わる荷電粒子（イオン）分離の原理を示す。イオンは
図１に示すようなＩＣＲセル内では、磁場と電場によっ
て空間的にトラップされている。この場合、イオンは磁
場のＺ方向成分ＢZに垂直な平面でサイクロトロン運動
をし、Ｚ方向にはトラップ電場によるポテンシャルに補
足された調和振動運動をしている。Ｚ方向成分ＢZに垂
直にイオンのサイクロトロン周波数を含む交流電場を印
加すると、イオンは共鳴し、回転速度ｖを増加させる。
関わる荷電粒子（イオン）分離の原理を示す。イオンは
図１に示すようなＩＣＲセル内では、磁場と電場によっ
て空間的にトラップされている。この場合、イオンは磁
場のＺ方向成分ＢZに垂直な平面でサイクロトロン運動
をし、Ｚ方向にはトラップ電場によるポテンシャルに補
足された調和振動運動をしている。Ｚ方向成分ＢZに垂
直にイオンのサイクロトロン周波数を含む交流電場を印
加すると、イオンは共鳴し、回転速度ｖを増加させる。
【００１１】ここで、磁場が径方向成分Ｂrをもってい
ることを考えると、十分に大きい速度をもったイオンに
は、径方向成分Ｂrと回転速度ｖの両方に垂直な方向、
すなわちＺ方向に力が働くことになる。この径方向成分
Ｂrの符号、すなわち径方向外向きか内向きかによっ
て、図３に示すように、イオンが受けるＺ方向の力の向
きもプラス方向あるいはマイナス方向を取り得ることに
なる。
ることを考えると、十分に大きい速度をもったイオンに
は、径方向成分Ｂrと回転速度ｖの両方に垂直な方向、
すなわちＺ方向に力が働くことになる。この径方向成分
Ｂrの符号、すなわち径方向外向きか内向きかによっ
て、図３に示すように、イオンが受けるＺ方向の力の向
きもプラス方向あるいはマイナス方向を取り得ることに
なる。
【００１２】このように、径方向成分Ｂrがプラスとマ
イナスに分布するような磁場は、例えば、図４に示すソ
レノイドがつくる磁場を考えれば実現可能であることが
わかる。ソレノイドでは、径方向成分Ｂrの向きがプラ
ス方向とマイナス方向に分布している領域がある。
イナスに分布するような磁場は、例えば、図４に示すソ
レノイドがつくる磁場を考えれば実現可能であることが
わかる。ソレノイドでは、径方向成分Ｂrの向きがプラ
ス方向とマイナス方向に分布している領域がある。
【００１３】一方、イオンはトラップ電場によって、Ｉ
ＣＲセル内の或る限定された空間を振動をしている。こ
のトラップ振動の周波数は、厳密にはイオンの質量によ
って異なるが、質量差が小さい場合には、ほぼ等しいと
みなすことができる。しかし、この振動の位相は、全て
のイオンについて揃っているとは限らない。この場合に
は、振動の位相を揃えるような操作、例えばトラップ電
極にトラップ振動の周波数と同じ交流電場を短時間印加
するようなことを行えば、セル内の全イオンは、Ｚ方向
にコヒーレントな調和振動をすることになる。
ＣＲセル内の或る限定された空間を振動をしている。こ
のトラップ振動の周波数は、厳密にはイオンの質量によ
って異なるが、質量差が小さい場合には、ほぼ等しいと
みなすことができる。しかし、この振動の位相は、全て
のイオンについて揃っているとは限らない。この場合に
は、振動の位相を揃えるような操作、例えばトラップ電
極にトラップ振動の周波数と同じ交流電場を短時間印加
するようなことを行えば、セル内の全イオンは、Ｚ方向
にコヒーレントな調和振動をすることになる。
【００１４】したがって、径方向成分Ｂrがプラスとマ
イナスに分布している空間内にＩＣＲセルを設置すれ
ば、イオンは時刻によって、径方向成分Ｂrの符号の異
なる領域に滞在していることになる。そして、その状況
は、イオンのトラップ振動の周波数と初期位相を把握す
ることによって知ることができる。
イナスに分布している空間内にＩＣＲセルを設置すれ
ば、イオンは時刻によって、径方向成分Ｂrの符号の異
なる領域に滞在していることになる。そして、その状況
は、イオンのトラップ振動の周波数と初期位相を把握す
ることによって知ることができる。
【００１５】以上のような原理を利用すれば、径方向成
分Ｂrがプラスとマイナスに分布している空間内にイオ
ンがトラップされているとき、イオンのサイクロトロン
運動を励起するタイミングを合わせることによって、イ
オンにＺ方向プラスあるいはマイナスの向きの力を働か
せることができる。
分Ｂrがプラスとマイナスに分布している空間内にイオ
ンがトラップされているとき、イオンのサイクロトロン
運動を励起するタイミングを合わせることによって、イ
オンにＺ方向プラスあるいはマイナスの向きの力を働か
せることができる。
【００１６】ここで、セル内に２種類のイオンが混在し
ている場合を考えると、それぞれのイオン種ごとにＺ方
向の逆向きに力を働かせることができるので、イオンを
Ｚ方向に分離することができる。
ている場合を考えると、それぞれのイオン種ごとにＺ方
向の逆向きに力を働かせることができるので、イオンを
Ｚ方向に分離することができる。
【００１７】実際には、必要となる磁場の径方向成分Ｂ
rの大きさや分布、イオンのトラップ振動を考慮したサ
イクロトロン共鳴の励起（加速）方法などの検討が必要
となる。以降に、径方向成分Ｂrの存在する磁場中でイ
オンがどのようなふるまいをするかを、運動方程式を解
析的に解いて検討し、上記原理の妥当性を示し、次に数
値シミュレーションによって、２種類のイオンをＺ方向
に分離する励起方法が存在することを示す。
rの大きさや分布、イオンのトラップ振動を考慮したサ
イクロトロン共鳴の励起（加速）方法などの検討が必要
となる。以降に、径方向成分Ｂrの存在する磁場中でイ
オンがどのようなふるまいをするかを、運動方程式を解
析的に解いて検討し、上記原理の妥当性を示し、次に数
値シミュレーションによって、２種類のイオンをＺ方向
に分離する励起方法が存在することを示す。
【００１８】まず、ＩＣＲセル内のイオンの運動を運動
方程式を解析的に解くことによって考察する。なお、定
式化にあたっては、以下の簡略化を行う。第１に、イオ
ンのサイクロトロン運動の中心は、常にセルの中心軸上
にあるものとする。この簡略化によって、イオンの運動
はＸ−Ｙ平面上のサイクロトロン運動とＺ方向のトラッ
プ振動に分解して取り扱うことができる。
方程式を解析的に解くことによって考察する。なお、定
式化にあたっては、以下の簡略化を行う。第１に、イオ
ンのサイクロトロン運動の中心は、常にセルの中心軸上
にあるものとする。この簡略化によって、イオンの運動
はＸ−Ｙ平面上のサイクロトロン運動とＺ方向のトラッ
プ振動に分解して取り扱うことができる。
【００１９】第２に、磁場の軸方向成分Ｂzと径方向成
分ＢrはＺ軸のみに存在するものとする。
分ＢrはＺ軸のみに存在するものとする。
【００２０】第３に、サイクロトロン運動を共鳴・加速
される以前には、イオンは熱運動のエネルギーで運動し
ているわけだが、この時のイオンの運動速度ｖ0はたい
へん小さいので、径方向成分Ｂr(z)による力は無視でき
るほど十分小さいものとする。
される以前には、イオンは熱運動のエネルギーで運動し
ているわけだが、この時のイオンの運動速度ｖ0はたい
へん小さいので、径方向成分Ｂr(z)による力は無視でき
るほど十分小さいものとする。
【００２１】第４に、サイクロトロン運動の励起は、非
常に短時間で行われるものとし、励起中のふるまいは考
えず、イオンはｔ＝ｔexで、その速度をｖ0から十分大
きなｖcに変化させるものとする。
常に短時間で行われるものとし、励起中のふるまいは考
えず、イオンはｔ＝ｔexで、その速度をｖ0から十分大
きなｖcに変化させるものとする。
【００２２】このような簡略化のもとで、イオンのふる
まいを考察する。セルのトラップ電極５ａ，５ｂにポテ
ンシャルＶTを印加し、励起電極１ａ，１ｂと検出電極
３ａ，３ｂをグランドレベルにしたとき、ＩＣＲセルの
中心付近のポテンシャルは四重極近似で取り扱うことが
できる。 Ｖ（ｘ，ｙ，ｚ）＝ＶT｛γ−α（ｘ2＋ｙ2−２ｚ2）／Ｌ2｝ (1) ただし、 α，γ：セルの幾何学的定数 Ｌ：セルの長さ である。
まいを考察する。セルのトラップ電極５ａ，５ｂにポテ
ンシャルＶTを印加し、励起電極１ａ，１ｂと検出電極
３ａ，３ｂをグランドレベルにしたとき、ＩＣＲセルの
中心付近のポテンシャルは四重極近似で取り扱うことが
できる。 Ｖ（ｘ，ｙ，ｚ）＝ＶT｛γ−α（ｘ2＋ｙ2−２ｚ2）／Ｌ2｝ (1) ただし、 α，γ：セルの幾何学的定数 Ｌ：セルの長さ である。
【００２３】ここで、イオンのＺ方向の運動を考察する
ため、トラップポテンシャルのＺ成分のみ考慮すると、 Ｖz（ｚ）＝２αＶT・ｚ2／Ｌ2 (2) したがって、軸方向（ｚ方向）の電場は、 Ｅz(z)＝−ｇｒａｄＶz(z) ＝−４αＶT・ｚ／Ｌ2 (3) となり、イオンがトラップポテンシャルから受ける力
は、 ｆEz＝ｑＥz(z) ＝−４ｑαＶT・ｚ／Ｌ2 (4) となる。
ため、トラップポテンシャルのＺ成分のみ考慮すると、 Ｖz（ｚ）＝２αＶT・ｚ2／Ｌ2 (2) したがって、軸方向（ｚ方向）の電場は、 Ｅz(z)＝−ｇｒａｄＶz(z) ＝−４αＶT・ｚ／Ｌ2 (3) となり、イオンがトラップポテンシャルから受ける力
は、 ｆEz＝ｑＥz(z) ＝−４ｑαＶT・ｚ／Ｌ2 (4) となる。
【００２４】この力に加えて、速度ｖcに励起・加速さ
れたイオンには、径方向成分Ｂr(z)による力 ｆBr＝ｑｖcＢr(z) (5) が働く。したがって、励起・加速されたイオンのＺ方向
の運動方程式は、 ｍ・ｄ2ｚ／ｄｔ2＝ｆEz＋ｆBr ＝−４ｑαＶT・ｚ／Ｌ2＋ｑｖcＢr(z) (6) となる。
れたイオンには、径方向成分Ｂr(z)による力 ｆBr＝ｑｖcＢr(z) (5) が働く。したがって、励起・加速されたイオンのＺ方向
の運動方程式は、 ｍ・ｄ2ｚ／ｄｔ2＝ｆEz＋ｆBr ＝−４ｑαＶT・ｚ／Ｌ2＋ｑｖcＢr(z) (6) となる。
【００２５】ここで、実際のソレノイドのつくる磁場の
径方向成分Ｂr(z)を考えると、これは、図５に示すよう
な分布をしている。この径方向成分Ｂr(z)は図６に示す
ような線形の関数で近似することができる。つまり、 Ｂr(z)＝ａｚ （ａ＞０） (7) である。この(7)式の径方向成分Ｂr(z)を(6)式に代入す
れば、運動方程式は、 ｄ2ｚ／ｄｔ2＝−４ｑαＶT・ｚ／ｍＬ2＋ｑａｖc・ｚ／ｍ ＝−（ωT 2−δ）ｚ (8) ただし、 ωT＝√（４ｑαＶT／ｍＬ2） δ＝ｑａｖc／ｍ である。
径方向成分Ｂr(z)を考えると、これは、図５に示すよう
な分布をしている。この径方向成分Ｂr(z)は図６に示す
ような線形の関数で近似することができる。つまり、 Ｂr(z)＝ａｚ （ａ＞０） (7) である。この(7)式の径方向成分Ｂr(z)を(6)式に代入す
れば、運動方程式は、 ｄ2ｚ／ｄｔ2＝−４ｑαＶT・ｚ／ｍＬ2＋ｑａｖc・ｚ／ｍ ＝−（ωT 2−δ）ｚ (8) ただし、 ωT＝√（４ｑαＶT／ｍＬ2） δ＝ｑａｖc／ｍ である。
【００２６】この式は、−（ωT 2−δ）の符号によっ
て、異なる形の解をもつが、δ＞ωT 2のときは、 ｚ＝Ａ1ｅｘｐ｛√（δ−ωT 2）・ｔ｝ ＋Ａ2ｅｘｐ｛−√（δ−ωT 2）・ｔ｝ （Ａ1，Ａ2は定数） (9) であり、この解は発散する形となっている。
て、異なる形の解をもつが、δ＞ωT 2のときは、 ｚ＝Ａ1ｅｘｐ｛√（δ−ωT 2）・ｔ｝ ＋Ａ2ｅｘｐ｛−√（δ−ωT 2）・ｔ｝ （Ａ1，Ａ2は定数） (9) であり、この解は発散する形となっている。
【００２７】つまり、Ｚ方向の力によって、イオンはト
ラップ電極に衝突し、セルから除去されることになる
が、イオンは励起するタイミングによって、図７に示す
ように、２種類のイオンをそれぞれＺ方向のプラス側と
マイナス側に分離することができる。
ラップ電極に衝突し、セルから除去されることになる
が、イオンは励起するタイミングによって、図７に示す
ように、２種類のイオンをそれぞれＺ方向のプラス側と
マイナス側に分離することができる。
【００２８】次に、イオンの質量の違いによって、実際
に同位体の分離ができることを数値シミュレーションに
よって確認する。ここでは、キセノンの同位体である131 Ｘe +イオンと132Ｘe +イオン を想定して、イオンの励起期間中の運動を３次元の１粒
子モデルで計算した。計算条件として、長さ９２ｍｍの
ソレノイドで中心磁場５Ｔが得られるような磁場の解析
解を用い、軸方向成分Ｂz(z,r)と径方向成分Ｂr(z,r)と
した。トラップ電圧は５Ｖで、励起波形は２０ＶPPの電
圧で６３４KHzから５５４KHzを０．４ｍｓで掃引する波
形とした。
に同位体の分離ができることを数値シミュレーションに
よって確認する。ここでは、キセノンの同位体である131 Ｘe +イオンと132Ｘe +イオン を想定して、イオンの励起期間中の運動を３次元の１粒
子モデルで計算した。計算条件として、長さ９２ｍｍの
ソレノイドで中心磁場５Ｔが得られるような磁場の解析
解を用い、軸方向成分Ｂz(z,r)と径方向成分Ｂr(z,r)と
した。トラップ電圧は５Ｖで、励起波形は２０ＶPPの電
圧で６３４KHzから５５４KHzを０．４ｍｓで掃引する波
形とした。
【００２９】その結果を図８に示す。図８において、
（ａ）図に示す131Ｘe +イオンと（ｂ）図に示す132Ｘe +
イオンがそれぞれＺ方向の逆方向に力を受けて、セルの
トラップ電極に衝突することがわかる。つまり、キセノ
ンの同位体をＺ方向に分離できることが示せたことにな
る。
（ａ）図に示す131Ｘe +イオンと（ｂ）図に示す132Ｘe +
イオンがそれぞれＺ方向の逆方向に力を受けて、セルの
トラップ電極に衝突することがわかる。つまり、キセノ
ンの同位体をＺ方向に分離できることが示せたことにな
る。
【００３０】次に、径方向磁場成分Ｂr(z)として、位置
によって符号のみを変える場合を考える。つまり、一定
値で近似できる分布が可能であるとすると、 Ｂr(z)＝＋ｂ （ｚ＞０） または、 Ｂr(z)＝−ｂ （ｚ＜０） として、上記(6)式を解くと、いま、イオンは径方向成
分Ｂrがプラスの領域（ｚ＞０）で励起・加速され、速
度がｖcに増加したとする。このとき、運動方程式は、 ｄ2ｚ／ｄｔ2＝−４ｑαＶT・ｚ／ｍＬ2＋ｑｖcｂ／ｍ ＝−ωT 2・ｚ＋ｑｖcｂ／ｍ （ｚ＞０） (10) となる。
によって符号のみを変える場合を考える。つまり、一定
値で近似できる分布が可能であるとすると、 Ｂr(z)＝＋ｂ （ｚ＞０） または、 Ｂr(z)＝−ｂ （ｚ＜０） として、上記(6)式を解くと、いま、イオンは径方向成
分Ｂrがプラスの領域（ｚ＞０）で励起・加速され、速
度がｖcに増加したとする。このとき、運動方程式は、 ｄ2ｚ／ｄｔ2＝−４ｑαＶT・ｚ／ｍＬ2＋ｑｖcｂ／ｍ ＝−ωT 2・ｚ＋ｑｖcｂ／ｍ （ｚ＞０） (10) となる。
【００３１】ここで、ωTはイオンのトラップ振動の角
周波数であり、 ωT＝√（４ｑαＶT／ｍＬ2） である。したがって、(10)式の解は、 ｚ＝Ａｃｏｓ（ωTｔ＋φ）＋ｑｖcｂ／ｍωT 2 ＝Ａｃｏｓ（ωTｔ＋φ）＋ｖcｂＬ2／４αＶT (11) ただし、 Ａ，φ：定数 となる。
周波数であり、 ωT＝√（４ｑαＶT／ｍＬ2） である。したがって、(10)式の解は、 ｚ＝Ａｃｏｓ（ωTｔ＋φ）＋ｑｖcｂ／ｍωT 2 ＝Ａｃｏｓ（ωTｔ＋φ）＋ｖcｂＬ2／４αＶT (11) ただし、 Ａ，φ：定数 となる。
【００３２】この解は、図９（ａ）に示すように、振幅
がＡで振動の中心がプラス方向に ｖcｂＬ2／４αＶT だけずれた調和振動となっている。同様に、イオンが径
方向成分Ｂrがマイナスのとき（ｚ＜０）に励起される
と、図９（ｂ）に示すように、振動の中心がマイナス方
向に −ｖcｂＬ2／４αＶT だけずれた調和振動となっている。したがって、イオン
種ごとにＺ方向プラスまたはマイナスの領域に分離し
て、セル内にトラップしておくことができる。
がＡで振動の中心がプラス方向に ｖcｂＬ2／４αＶT だけずれた調和振動となっている。同様に、イオンが径
方向成分Ｂrがマイナスのとき（ｚ＜０）に励起される
と、図９（ｂ）に示すように、振動の中心がマイナス方
向に −ｖcｂＬ2／４αＶT だけずれた調和振動となっている。したがって、イオン
種ごとにＺ方向プラスまたはマイナスの領域に分離し
て、セル内にトラップしておくことができる。
【００３３】図１０は磁場の径方向成分Ｂr(z)がＺ軸に
従ってプラスとマイナスの一定値に分布している条件
で、131Ｘｅ+イオンと132Ｘｅ+イオンで、数値シミュレ
ーションを行った結果を示したものである。計算条件と
して、長さ９２ｍｍのソレノイドで中心磁場５Ｔが得ら
れるような磁場の解析解を用い、トラップ電圧は５Ｖ
で、励起波形は２０ＶPPの電圧で６３４KHzから５５４K
Hzを０．４ｍｓで掃引する波形とした。図１０におい
て、はじめに131Ｘｅ+が励起され、Ｚ方向マイナスの領
域にトラップされ、その後、132Ｘｅ+が励起されてＺ方
向プラスの領域にトラップされることがわかる。
従ってプラスとマイナスの一定値に分布している条件
で、131Ｘｅ+イオンと132Ｘｅ+イオンで、数値シミュレ
ーションを行った結果を示したものである。計算条件と
して、長さ９２ｍｍのソレノイドで中心磁場５Ｔが得ら
れるような磁場の解析解を用い、トラップ電圧は５Ｖ
で、励起波形は２０ＶPPの電圧で６３４KHzから５５４K
Hzを０．４ｍｓで掃引する波形とした。図１０におい
て、はじめに131Ｘｅ+が励起され、Ｚ方向マイナスの領
域にトラップされ、その後、132Ｘｅ+が励起されてＺ方
向プラスの領域にトラップされることがわかる。
【００３４】このように、本発明は径方向成分をもつ磁
場中でサイクロトロン共鳴を利用することによって、イ
オンにＺ方向の力を与え、その質量の違いによって空間
的な位置を変化させる方法である。この発明の妥当性を
イオンの運動方程式を解析的に解くことによって示すと
共に、この発明の応用として、同位体の分離が可能であ
ることを数値シミュレーションによって確認した。
場中でサイクロトロン共鳴を利用することによって、イ
オンにＺ方向の力を与え、その質量の違いによって空間
的な位置を変化させる方法である。この発明の妥当性を
イオンの運動方程式を解析的に解くことによって示すと
共に、この発明の応用として、同位体の分離が可能であ
ることを数値シミュレーションによって確認した。
【００３５】
【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに、本発明のイオン分離法の効果としては、 （１）スリットなどを通さないので、イオンの損失が少
ない。 （２）複雑な電極構造や、イオン光学系が必要なく、ま
た、セルの構造も単純で加工精度も必要としない。 （３）高い均一度の磁場は必要ないので、磁場発生器は
小型で済み、装置全体としてもコンパクトにまとめるこ
とができる。
うに、本発明のイオン分離法の効果としては、 （１）スリットなどを通さないので、イオンの損失が少
ない。 （２）複雑な電極構造や、イオン光学系が必要なく、ま
た、セルの構造も単純で加工精度も必要としない。 （３）高い均一度の磁場は必要ないので、磁場発生器は
小型で済み、装置全体としてもコンパクトにまとめるこ
とができる。
【図１】本発明に用いる共鳴セルの構成図である。
【図２】本発明に用いる基本的な制御・検出系統図であ
る。
る。
【図３】加速されたイオンが受ける力の方向を示す図で
ある。
ある。
【図４】ソレノイド中の磁場を示す図である。
【図５】ソレノイドのつくる磁場の径方向成分Ｂr(z)の
分布図である。
分布図である。
【図６】図５の径方向成分Ｂr(z)を線形の関数で近似し
た図である。
た図である。
【図７】線形の分布をもつ径方向成分Ｂrの場合のイオ
ンの軌道を示す図である。
ンの軌道を示す図である。
【図８】図７の条件でのソレノイドの径方向成分Ｂr(z)
中のイオンの軌道のシミュレーション結果を示す図であ
る。
中のイオンの軌道のシミュレーション結果を示す図であ
る。
【図９】正負の一定値の分布をもつ径方向成分Ｂrの場
合のイオンの軌道を示す図である。
合のイオンの軌道を示す図である。
【図１０】図９の条件でのソレノイドの径方向成分Ｂ
r(z)中のイオンの軌道のシミュレーション結果を示す図
である。
r(z)中のイオンの軌道のシミュレーション結果を示す図
である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−250546（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−210463（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 24/00 - 24/14
Claims (1)
- 【請求項１】荷電粒子が電場と磁場によって空間的にト
ラップされているとき、サイクロトロン共鳴と磁場の径
方向成分を利用して、前記荷電粒子に軸方向の力を与
え、この力の向きをイオン種ごとのサイクロトロン運動
と共鳴加速させるトラップ振動の周期を考慮したタイミ
ングによって制御し、２種類の荷電粒子を軸方向に空間
的に分離するようにしたことを特徴とする荷電粒子分離
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11969093A JP3205429B2 (ja) | 1993-05-21 | 1993-05-21 | 荷電粒子分離方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11969093A JP3205429B2 (ja) | 1993-05-21 | 1993-05-21 | 荷電粒子分離方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06331578A JPH06331578A (ja) | 1994-12-02 |
| JP3205429B2 true JP3205429B2 (ja) | 2001-09-04 |
Family
ID=14767651
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11969093A Expired - Lifetime JP3205429B2 (ja) | 1993-05-21 | 1993-05-21 | 荷電粒子分離方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3205429B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5103628B2 (ja) * | 2006-01-16 | 2012-12-19 | 国立大学法人神戸大学 | 気体核磁気共鳴装置 |
-
1993
- 1993-05-21 JP JP11969093A patent/JP3205429B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06331578A (ja) | 1994-12-02 |
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