JP3487900B2 - ガドリニウムの同位体分離方法および装置 - Google Patents
ガドリニウムの同位体分離方法および装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の同位体を含むガ
ドリニウム蒸気に複数のパルスレーザ光を照射すること
によって、奇数核同位体のガドリニウムを選択的に励起
および電離させて分離回収するガドリニウムの同位体分
離方法および装置に係り、特に複数のパルスレーザ光の
出力タイミングおよび発振周波数を制御することによっ
て、奇数核同位体のガドリニウムを効率よく分離回収す
るガドリニウムの同位体分離方法および装置に関する。
ドリニウム蒸気に複数のパルスレーザ光を照射すること
によって、奇数核同位体のガドリニウムを選択的に励起
および電離させて分離回収するガドリニウムの同位体分
離方法および装置に係り、特に複数のパルスレーザ光の
出力タイミングおよび発振周波数を制御することによっ
て、奇数核同位体のガドリニウムを効率よく分離回収す
るガドリニウムの同位体分離方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】金属原料をレーザ光により多段階励起・
電離する技術は、特に同位体分離の分野で有用である。
例えばウラン同位体分離の分野において原子レーザ法を
利用した金属同位体分離方法は、ガス拡散法や遠心分離
法と比較すると同位体の分離効率が非常に高いという優
れた特性を持っている。この原子レーザ法は、ガドリニ
ウムの同位体分離に適用した場合にも、高い分離効率が
得られる。
電離する技術は、特に同位体分離の分野で有用である。
例えばウラン同位体分離の分野において原子レーザ法を
利用した金属同位体分離方法は、ガス拡散法や遠心分離
法と比較すると同位体の分離効率が非常に高いという優
れた特性を持っている。この原子レーザ法は、ガドリニ
ウムの同位体分離に適用した場合にも、高い分離効率が
得られる。
【０００３】原子レーザ法によるガドリニウムの同位体
分離プロセスは、同位体分離用ガドリニウム金属原料を
供給する金属原料供給工程と、供給された金属原料を加
熱・溶融し、金属蒸気を生じさせる金属蒸気発生工程
と、この金属原料から特定の同位体を選択的に励起させ
る励起工程と、第１段励起された特定同位体の金属原子
を光電離（イオン化）させ、イオン化同位体を電極に回
収する分離回収工程とに大別される。
分離プロセスは、同位体分離用ガドリニウム金属原料を
供給する金属原料供給工程と、供給された金属原料を加
熱・溶融し、金属蒸気を生じさせる金属蒸気発生工程
と、この金属原料から特定の同位体を選択的に励起させ
る励起工程と、第１段励起された特定同位体の金属原子
を光電離（イオン化）させ、イオン化同位体を電極に回
収する分離回収工程とに大別される。
【０００４】ところで、同位体には偶数核同位体と奇数
核同位体とがあり、偶数核同位体の核スピンが零である
のに対し、奇数核同位体は核スピンを有する。このた
め、偶数核同位体の光吸収スペクトルラインが単一構造
であるのに対し、奇数核同位体の光吸収スペクトルライ
ンは複数本の分裂構造（超微細構造）を有している。
核同位体とがあり、偶数核同位体の核スピンが零である
のに対し、奇数核同位体は核スピンを有する。このた
め、偶数核同位体の光吸収スペクトルラインが単一構造
であるのに対し、奇数核同位体の光吸収スペクトルライ
ンは複数本の分裂構造（超微細構造）を有している。
【０００５】ガドリニウムの同位体分離において奇数核
同位体を分離対象とした場合、その奇数核同位体をレー
ザ光により多段階励起させる。この際、非対象同位体
（偶数核同位体および分離の対象ではない他の奇数核同
位体）との間に僅かな光吸収波長（周波数）のずれ（同
位体シフト）が存在するため、対象同位体（奇数核同位
体）の吸収波長（周波数）に合せて第１段励起用レーザ
光と別の励起・電離用レーザ光とを照射して、励起され
た奇数核同位体のエネルギ準位をさらに高め、対象奇数
核同位体のみをイオン化させて分離・回収している。
同位体を分離対象とした場合、その奇数核同位体をレー
ザ光により多段階励起させる。この際、非対象同位体
（偶数核同位体および分離の対象ではない他の奇数核同
位体）との間に僅かな光吸収波長（周波数）のずれ（同
位体シフト）が存在するため、対象同位体（奇数核同位
体）の吸収波長（周波数）に合せて第１段励起用レーザ
光と別の励起・電離用レーザ光とを照射して、励起され
た奇数核同位体のエネルギ準位をさらに高め、対象奇数
核同位体のみをイオン化させて分離・回収している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、複数の
同位体を含むガドリニウム金属原子において、対象奇数
核同位体と非対象同位体との同位体シフトがあまり大き
くなく、超微細構造と単一構造を有する光共鳴吸収波長
（周波数）が交錯している場合、従来の方法では、非対
象同位体のディチューニング励起効果により、対象同位
体について十分高い分離性能が得られなかった。
同位体を含むガドリニウム金属原子において、対象奇数
核同位体と非対象同位体との同位体シフトがあまり大き
くなく、超微細構造と単一構造を有する光共鳴吸収波長
（周波数）が交錯している場合、従来の方法では、非対
象同位体のディチューニング励起効果により、対象同位
体について十分高い分離性能が得られなかった。
【０００７】また、ガドリニウムの核スピンＩはＩ＝３
／２であり比較的小さいため、各励起・電離段におい
て、対象奇数核同位体の光吸収周波数スペクトルが超微
細構造で分裂して拡がっている上に、その変数は比較的
少なく間隔が広い。このため、レーザ光の発振周波数ス
ペクトルと対象同位体の光吸収周波数スペクトルとの重
なり合い具合い（マッチング）が悪く、照射光エネルギ
のうち励起・電離に効率よく寄与しないディチューニン
グにした周波数成分が多く存在するので、高い出力がレ
ーザ光に必要とされ、十分高い経済性が得られなかっ
た。
／２であり比較的小さいため、各励起・電離段におい
て、対象奇数核同位体の光吸収周波数スペクトルが超微
細構造で分裂して拡がっている上に、その変数は比較的
少なく間隔が広い。このため、レーザ光の発振周波数ス
ペクトルと対象同位体の光吸収周波数スペクトルとの重
なり合い具合い（マッチング）が悪く、照射光エネルギ
のうち励起・電離に効率よく寄与しないディチューニン
グにした周波数成分が多く存在するので、高い出力がレ
ーザ光に必要とされ、十分高い経済性が得られなかっ
た。
【０００８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、発振周波数スペクトル線幅が狭いパルスレーザ
光を照射し、適切な励起段について１パルス時間内で高
速に周波数掃引することで、対象同位体のみを選択的に
近共鳴多光子吸収励起・電離して非対象同位体のディチ
ューニング励起効果を低減するとともに、スペクトルの
マッチングを改善して照射光エネルギを励起・電離に効
率よく寄与させて所要レーザ光の出力を低減させること
で十分高い経済性を得ることができるガドリニウムの同
位体分離方法および装置を提供することを目的とする。
もので、発振周波数スペクトル線幅が狭いパルスレーザ
光を照射し、適切な励起段について１パルス時間内で高
速に周波数掃引することで、対象同位体のみを選択的に
近共鳴多光子吸収励起・電離して非対象同位体のディチ
ューニング励起効果を低減するとともに、スペクトルの
マッチングを改善して照射光エネルギを励起・電離に効
率よく寄与させて所要レーザ光の出力を低減させること
で十分高い経済性を得ることができるガドリニウムの同
位体分離方法および装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１記載の発明に係るガドリニウムの同位体分
離方法は、複数の同位体を含むガドリニウム金属原料を
加熱蒸発させて蒸気流を生成する蒸気流生成工程と、生
成したガドリニウム蒸気に出力タイミングおよび発振周
波数を制御した励起および電離用の複数段のパルスレー
ザ光を照射することによって、ガドリニウムの奇数核同
位体を選択的に近共鳴多光子吸収励起および電離してガ
ドリニウムイオンを生成するイオン生成工程と、上記ガ
ドリニウムイオンを電極に回収する回収工程とから成る
ことを特徴とする。
め、請求項１記載の発明に係るガドリニウムの同位体分
離方法は、複数の同位体を含むガドリニウム金属原料を
加熱蒸発させて蒸気流を生成する蒸気流生成工程と、生
成したガドリニウム蒸気に出力タイミングおよび発振周
波数を制御した励起および電離用の複数段のパルスレー
ザ光を照射することによって、ガドリニウムの奇数核同
位体を選択的に近共鳴多光子吸収励起および電離してガ
ドリニウムイオンを生成するイオン生成工程と、上記ガ
ドリニウムイオンを電極に回収する回収工程とから成る
ことを特徴とする。
【００１０】
【００１１】請求項２の発明に係るガドリニウムの同位
体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への近共鳴３光子吸収遷移を生じさせ、
この場合、第１段励起用、第２段励起用、および電離用
パルスレーザ光のうち２つのレーザ光の発振周波数を固
定しておき、残りの１つのレーザ光の発振周波数を、３
つのレーザ光の周波数の和が奇数核同位体の共鳴３光子
吸収スペクトルの超微細構造を含む周波数範囲となるよ
うに、１パルス時間内で高速に周波数掃引する。
体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への近共鳴３光子吸収遷移を生じさせ、
この場合、第１段励起用、第２段励起用、および電離用
パルスレーザ光のうち２つのレーザ光の発振周波数を固
定しておき、残りの１つのレーザ光の発振周波数を、３
つのレーザ光の周波数の和が奇数核同位体の共鳴３光子
吸収スペクトルの超微細構造を含む周波数範囲となるよ
うに、１パルス時間内で高速に周波数掃引する。
【００１２】 請求項３の発明に係るガドリニウムの同
位体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起
用パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および
電離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定
準位から電離準位への主要遷移の近共鳴３光子吸収遷移
を生じさせ、この場合、第１段励起段、第２段励起段、
および電離段のそれぞれの主要遷移の共鳴１光子吸収ス
ペクトルの超微細構造のうち、第１段励起段と第２段励
起段あるいは第２段励起段と電離段のように連続する２
つの段のスペクトル構造がスペクトルの重心についてほ
ぼ対称な構造を有するものとし、この連続する２つの段
用のレーザ光の発振周波数は重心位置に固定しておき、
残りの１つの励起段または電離段用レーザ光の発振周波
数は、主要遷移の共鳴３光子吸収スペクトルの超微細構
造幅を含む周波数範囲となるように、１パルス時間内で
高速に周波数掃引する。
位体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起
用パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および
電離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定
準位から電離準位への主要遷移の近共鳴３光子吸収遷移
を生じさせ、この場合、第１段励起段、第２段励起段、
および電離段のそれぞれの主要遷移の共鳴１光子吸収ス
ペクトルの超微細構造のうち、第１段励起段と第２段励
起段あるいは第２段励起段と電離段のように連続する２
つの段のスペクトル構造がスペクトルの重心についてほ
ぼ対称な構造を有するものとし、この連続する２つの段
用のレーザ光の発振周波数は重心位置に固定しておき、
残りの１つの励起段または電離段用レーザ光の発振周波
数は、主要遷移の共鳴３光子吸収スペクトルの超微細構
造幅を含む周波数範囲となるように、１パルス時間内で
高速に周波数掃引する。
【００１３】請求項４の発明に係るガドリニウムの同位
体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への近共鳴３光子吸収遷移を生じさせ、
この場合、第１段励起用、第２段励起用、および電離用
レーザ光のうち１つのレーザ光の発振周波数は固定して
おき、残りの２つのレーザ光の発振周波数は１パルス時
間内で高速に周波数掃引し、それら３つのレーザ光の周
波数の和が奇数核同位体の共鳴３光子吸収スペクトルの
超微細構造を含む周波数範囲となるようにする。
体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への近共鳴３光子吸収遷移を生じさせ、
この場合、第１段励起用、第２段励起用、および電離用
レーザ光のうち１つのレーザ光の発振周波数は固定して
おき、残りの２つのレーザ光の発振周波数は１パルス時
間内で高速に周波数掃引し、それら３つのレーザ光の周
波数の和が奇数核同位体の共鳴３光子吸収スペクトルの
超微細構造を含む周波数範囲となるようにする。
【００１４】 請求項５の発明に係るガドリニウムの同
位体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起
用パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および
電離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定
準位から電離準位への主要遷移の近共鳴３光子吸収遷移
を生じさせ、この場合、第１段励起段、第２段励起段、
および電離段のそれぞれの主要遷移の共鳴１光子吸収ス
ペクトルの超微細構造のうち、１つの励起段または電離
段のものがスペクトルの重心近傍にほぼ集中する構造を
有するものとし、残りの２つの励起段または電離段のも
のの幅の和が主要遷移の共鳴３光子吸収スペクトルの超
微細構造幅にほぼ等しくなるような励起・電離準位を用
いて、前者の１つの励起段または電離段用のレーザ光の
発振周波数は重心位置に固定しておき、後者の２つの励
起段または電離段用レーザ光の発振周波数は、主要遷移
の共鳴３光子吸収スペクトルの超微細構造幅を含む周波
数範囲で、１パルス時間内で高速に周波数掃引する。
位体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起
用パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および
電離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定
準位から電離準位への主要遷移の近共鳴３光子吸収遷移
を生じさせ、この場合、第１段励起段、第２段励起段、
および電離段のそれぞれの主要遷移の共鳴１光子吸収ス
ペクトルの超微細構造のうち、１つの励起段または電離
段のものがスペクトルの重心近傍にほぼ集中する構造を
有するものとし、残りの２つの励起段または電離段のも
のの幅の和が主要遷移の共鳴３光子吸収スペクトルの超
微細構造幅にほぼ等しくなるような励起・電離準位を用
いて、前者の１つの励起段または電離段用のレーザ光の
発振周波数は重心位置に固定しておき、後者の２つの励
起段または電離段用レーザ光の発振周波数は、主要遷移
の共鳴３光子吸収スペクトルの超微細構造幅を含む周波
数範囲で、１パルス時間内で高速に周波数掃引する。
【００１５】請求項６の発明に係るガドリニウムの同位
体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への近共鳴３光子吸収遷移を生じさせ、
この場合、第１段励起用、第２段励起用、および電離用
レーザ光の３つのレーザ光の発振周波数は１パルス時間
内で高速に周波数掃引し、それら３つのレーザ光の周波
数の和が奇数核同位体の共鳴３光子吸収スペクトルの超
微細構造を含む周波数範囲となるようにする。
体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への近共鳴３光子吸収遷移を生じさせ、
この場合、第１段励起用、第２段励起用、および電離用
レーザ光の３つのレーザ光の発振周波数は１パルス時間
内で高速に周波数掃引し、それら３つのレーザ光の周波
数の和が奇数核同位体の共鳴３光子吸収スペクトルの超
微細構造を含む周波数範囲となるようにする。
【００１６】 請求項７の発明に係るガドリニウムの同
位体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起
用パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および
電離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定
準位から電離準位への主要遷移の近共鳴３光子吸収遷移
を生じさせ、この場合、第１段励起段、第２段励起段、
および電離段のそれぞれのレーザ光の発振周波数は、主
要遷移の近共鳴３光子吸収が起きるような条件を成立さ
せながら、それぞれの励起段の主要遷移の共鳴１光子吸
収スペクトルの超微細構造幅を含む周波数範囲で、１パ
ルス時間内で高速に周波数掃引する。
位体分離方法は、イオン生成工程において、第１段励起
用パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および
電離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定
準位から電離準位への主要遷移の近共鳴３光子吸収遷移
を生じさせ、この場合、第１段励起段、第２段励起段、
および電離段のそれぞれのレーザ光の発振周波数は、主
要遷移の近共鳴３光子吸収が起きるような条件を成立さ
せながら、それぞれの励起段の主要遷移の共鳴１光子吸
収スペクトルの超微細構造幅を含む周波数範囲で、１パ
ルス時間内で高速に周波数掃引する。
【００１７】 請求項８の発明に係るガドリニウムの同
位体分離方法は、請求項２から７までに記載の同位体分
離方法における３段階の光励起・電離工程に代えて、光
反応プロセスおよびレーザ装置台数の変更により、２段
階あるいは多段階の光励起・電離工程に拡張することを
特徴とする。
位体分離方法は、請求項２から７までに記載の同位体分
離方法における３段階の光励起・電離工程に代えて、光
反応プロセスおよびレーザ装置台数の変更により、２段
階あるいは多段階の光励起・電離工程に拡張することを
特徴とする。
【００１８】 請求項９の発明に係るガドリニウムの同
位体分離装置は、複数の同位体を含むガドリニウム金属
原料を加熱蒸発させて蒸気流を生成する蒸気流生成手段
と、上記蒸気流に照射される第１段励起用、第２段励起
用、および電離用パルスレーザ光を出力するレーザ光出
力手段とを備え、電離した奇数核同位体のガドリニウム
を電極に回収するガドリニウムの同位体分離装置におい
て、上記レーザ光出力手段から出力される上記第１段励
起用パルスレーザ光、上記第２段励起用パルスレーザ
光、および上記電離用パルスレーザ光の出力タイミング
および１パルス時間内での発振周波数を制御するレーザ
出力制御手段を備え、上記レーザ出力制御手段は、奇数
核同位体を選択的に近共鳴多光子吸収励起および電離す
るようにレーザ光の発振周波数を時間の関数として制御
することを特徴とする。
位体分離装置は、複数の同位体を含むガドリニウム金属
原料を加熱蒸発させて蒸気流を生成する蒸気流生成手段
と、上記蒸気流に照射される第１段励起用、第２段励起
用、および電離用パルスレーザ光を出力するレーザ光出
力手段とを備え、電離した奇数核同位体のガドリニウム
を電極に回収するガドリニウムの同位体分離装置におい
て、上記レーザ光出力手段から出力される上記第１段励
起用パルスレーザ光、上記第２段励起用パルスレーザ
光、および上記電離用パルスレーザ光の出力タイミング
および１パルス時間内での発振周波数を制御するレーザ
出力制御手段を備え、上記レーザ出力制御手段は、奇数
核同位体を選択的に近共鳴多光子吸収励起および電離す
るようにレーザ光の発振周波数を時間の関数として制御
することを特徴とする。
【００１９】請求項１０の発明に係るガドリニウムの同
位体分離装置は、レーザ光出力制御手段が、パルスレー
ザ光の周波数を制御するための電気光学素子と、その素
子の作動およびパルスレーザ光の出力のタイミングを制
御するためのトリガー信号を出力するパルスジェネレー
タとを有する。
位体分離装置は、レーザ光出力制御手段が、パルスレー
ザ光の周波数を制御するための電気光学素子と、その素
子の作動およびパルスレーザ光の出力のタイミングを制
御するためのトリガー信号を出力するパルスジェネレー
タとを有する。
【００２０】請求項１１の発明に係るガドリニウムの同
位体分離装置は、請求項９または１０に記載のガドリニ
ウムの同位体分離装置における３段階の光励起・電離手
段に代えて、光反応プロセスおよびレーザ装置台数の変
更により、２段階あるいは多段階の光励起・電離手段に
拡張することを特徴とする。
位体分離装置は、請求項９または１０に記載のガドリニ
ウムの同位体分離装置における３段階の光励起・電離手
段に代えて、光反応プロセスおよびレーザ装置台数の変
更により、２段階あるいは多段階の光励起・電離手段に
拡張することを特徴とする。
【００２１】
【作用】上述した本発明においては、複数の同位体を含
むガドリニウム金属原料を蒸気流生成手段によって加熱
蒸発させて生成したガドリニウム蒸気流に向って、レー
ザ光出力手段から奇数核同位体の光吸収波長（周波数）
を有した複数のパルスレーザ光（第１段励起用パルスレ
ーザ光、第２段励起用パルスレーザ光、および電離用レ
ーザ光等）が出力される。
むガドリニウム金属原料を蒸気流生成手段によって加熱
蒸発させて生成したガドリニウム蒸気流に向って、レー
ザ光出力手段から奇数核同位体の光吸収波長（周波数）
を有した複数のパルスレーザ光（第１段励起用パルスレ
ーザ光、第２段励起用パルスレーザ光、および電離用レ
ーザ光等）が出力される。
【００２２】このとき、対象奇数核同位体の各励起段の
主要遷移の共鳴１光子吸収スペクトルの超微細構造が、
例えば図１に示すように複数本に分裂した構造となる場
合には、レーザ光は出力制御手段によって、例えば図２
に示すように出力タイミングおよび１パルス時間内での
発振周波数を異ならせるように制御してガドリニウム蒸
気流に照射する。
主要遷移の共鳴１光子吸収スペクトルの超微細構造が、
例えば図１に示すように複数本に分裂した構造となる場
合には、レーザ光は出力制御手段によって、例えば図２
に示すように出力タイミングおよび１パルス時間内での
発振周波数を異ならせるように制御してガドリニウム蒸
気流に照射する。
【００２３】なお、図１では、基底準位、第１段励起準
位、第２段励起準位、電離準位について３波長３段階の
励起・電離を行うときに、各励起準位の全角運動量Ｊの
値が全て２である場合を零として示してある。ここでＥ
ｇ(1) は第１励起段の超微細構造スペクトルの重心、Ｅ
ｇ(2) ，Ｅｇ(3) は第２励起段、第３励起段の各超微細
構造スペクトルの重心である。このとき、各励起準位は
図３に示すように４本の超微細構造準位に分裂してお
り、各準位それぞれには、スピン角運動量Ｉ＝３／２も
考慮した全角運動量Ｆ＝１／２，３／２，５／２，７／
２が対応する。ここで、選択則ΔＦ＝０または±１によ
り各上下準位間では複数の遷移が可能であるが、この中
でも遷移強度の大きいもの、すなわち主要遷移（この零
ではΔＦ＝０の遷移）だけを抽出して表示すると図３の
ようなＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４ラインになる。
位、第２段励起準位、電離準位について３波長３段階の
励起・電離を行うときに、各励起準位の全角運動量Ｊの
値が全て２である場合を零として示してある。ここでＥ
ｇ(1) は第１励起段の超微細構造スペクトルの重心、Ｅ
ｇ(2) ，Ｅｇ(3) は第２励起段、第３励起段の各超微細
構造スペクトルの重心である。このとき、各励起準位は
図３に示すように４本の超微細構造準位に分裂してお
り、各準位それぞれには、スピン角運動量Ｉ＝３／２も
考慮した全角運動量Ｆ＝１／２，３／２，５／２，７／
２が対応する。ここで、選択則ΔＦ＝０または±１によ
り各上下準位間では複数の遷移が可能であるが、この中
でも遷移強度の大きいもの、すなわち主要遷移（この零
ではΔＦ＝０の遷移）だけを抽出して表示すると図３の
ようなＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４ラインになる。
【００２４】レーザ光の出力タイミングおよび１パルス
時間内での発振周波数の制御は、例えば電気光学素子の
光周波数変調効果を利用して行う。すなわち、レーザ光
出力手段と電気光学素子とにパルスジェネレータからト
リガーパルスを所定のタイミングで出力することによっ
て、レーザ光出力装置および電気光学素子の作動タイミ
ングを制御して、レーザ光の出力タイミングおよび１パ
ルス時間内での発振周波数を制御する。
時間内での発振周波数の制御は、例えば電気光学素子の
光周波数変調効果を利用して行う。すなわち、レーザ光
出力手段と電気光学素子とにパルスジェネレータからト
リガーパルスを所定のタイミングで出力することによっ
て、レーザ光出力装置および電気光学素子の作動タイミ
ングを制御して、レーザ光の出力タイミングおよび１パ
ルス時間内での発振周波数を制御する。
【００２５】一方、レーザ光の照射を受けた基底準位の
奇数核同位体は、図２に示した照射パルスタイミングの
制御および１パルス時間内での発振周波数掃引の制御に
よって、図３に示すような各主要遷移ラインを経由する
近共鳴３光子吸収励起の効果で効率よく電離準位まで励
起されてイオン化され、電極に回収することができる。
奇数核同位体は、図２に示した照射パルスタイミングの
制御および１パルス時間内での発振周波数掃引の制御に
よって、図３に示すような各主要遷移ラインを経由する
近共鳴３光子吸収励起の効果で効率よく電離準位まで励
起されてイオン化され、電極に回収することができる。
【００２６】これは、同一のパルス時間幅の中で、各励
起段のレーザ発振周波数が、各励起段の超微細構造スペ
クトルの主要遷移ラインをＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順に通過し
てゆくように掃引されているため、基底準位→第１段励
起準位→第２段励起準位→電離準位についての励起が、
ほぼ同一のタイミングで各励起段の同一名の主要遷移ラ
イン近傍で生じる効果である。
起段のレーザ発振周波数が、各励起段の超微細構造スペ
クトルの主要遷移ラインをＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順に通過し
てゆくように掃引されているため、基底準位→第１段励
起準位→第２段励起準位→電離準位についての励起が、
ほぼ同一のタイミングで各励起段の同一名の主要遷移ラ
イン近傍で生じる効果である。
【００２７】すなわち、最も励起効率のよい３段階励起
遷移の組み合せとして、第１にＡ１→Ａ２→Ａ３、第２
にＢ１→Ｂ２→Ｂ３、第３にＣ１→Ｃ２→Ｃ３、第４に
Ｄ１→Ｄ２→Ｄ３の組み合せの順で、それら遷移ライン
周波数近傍での近共鳴３光子吸収励起が生じるため、奇
数核同位体が効率よく励起される。
遷移の組み合せとして、第１にＡ１→Ａ２→Ａ３、第２
にＢ１→Ｂ２→Ｂ３、第３にＣ１→Ｃ２→Ｃ３、第４に
Ｄ１→Ｄ２→Ｄ３の組み合せの順で、それら遷移ライン
周波数近傍での近共鳴３光子吸収励起が生じるため、奇
数核同位体が効率よく励起される。
【００２８】なお、対象奇数核同位体のガドリニウムイ
オンが分離されたガドリニウム蒸気流は、電極を通過し
た後に付着板等に回収される。このとき、対象同位体以
外の非対象同位体についてのディチューニング励起は、
図２に示すようなレーザ照射条件下では、効率が低くな
り励起率が激減するため、対象同位体についての十分高
い分離性能が得られる。
オンが分離されたガドリニウム蒸気流は、電極を通過し
た後に付着板等に回収される。このとき、対象同位体以
外の非対象同位体についてのディチューニング励起は、
図２に示すようなレーザ照射条件下では、効率が低くな
り励起率が激減するため、対象同位体についての十分高
い分離性能が得られる。
【００２９】例えば、偶数核の非対象同位体は、超微細
構造がなく単一の吸収スペクトルを有するため、各励起
段のレーザ発振周波数は掃引せずに、各励起段の共鳴吸
収周波数に同調しておくのが最も励起効率がよく、スペ
クトルのマッチングの面で、図２のようなレーザ照射条
件下ではディチューニング励起は起きにくい。
構造がなく単一の吸収スペクトルを有するため、各励起
段のレーザ発振周波数は掃引せずに、各励起段の共鳴吸
収周波数に同調しておくのが最も励起効率がよく、スペ
クトルのマッチングの面で、図２のようなレーザ照射条
件下ではディチューニング励起は起きにくい。
【００３０】また、奇数核の非対象同位体は、対象同位
体とは異なる超微細構造で各励起段の吸収スペクトルが
分裂しているため、図２のように対象同位体の近３共鳴
光子吸収が効率よく生じるように最適化されたレーザ照
射条件下では、非対象の奇数核同位体の近共鳴３光子吸
収の効率は低く、スペクトルのマッチングの面でディチ
ューニング励起は起きにくい。
体とは異なる超微細構造で各励起段の吸収スペクトルが
分裂しているため、図２のように対象同位体の近３共鳴
光子吸収が効率よく生じるように最適化されたレーザ照
射条件下では、非対象の奇数核同位体の近共鳴３光子吸
収の効率は低く、スペクトルのマッチングの面でディチ
ューニング励起は起きにくい。
【００３１】さらに、対象同位体の近共鳴３光子吸収が
効率よく生じるように図２のような出力タイミングと周
波数の最適化を行った各励起段のレーザについて、電離
率が最高となるように各段のレーザ出力バランスも最適
化すると、このレーザ出力バランスは非対象同位体の最
適レーザ出力バランスとは異なるために、非対象同位体
のディチューニング励起が出力バランスの面で起きにく
くなる効果も得られる。
効率よく生じるように図２のような出力タイミングと周
波数の最適化を行った各励起段のレーザについて、電離
率が最高となるように各段のレーザ出力バランスも最適
化すると、このレーザ出力バランスは非対象同位体の最
適レーザ出力バランスとは異なるために、非対象同位体
のディチューニング励起が出力バランスの面で起きにく
くなる効果も得られる。
【００３２】また、ガドリニウムの核スピンＩはＩ＝３
／２であり、比較的小さいため、各励起・電離段におい
て、対象奇数核同位体の光吸収周波数スペクトルが超微
細構造で拡がっている上に、その主要遷移の本数は４本
で比較的少なく間隔が広いが、図２に示すようなレーザ
照射条件下では、各励起段のレーザ発振周波数が吸収遷
移ラインと一致するチャンスが増加するため、周波数固
定励起している場合よりも励起効率は改善される。すな
わち、照射光エネルギのうち励起・電離に効率よく寄与
しないディチューニングした周波数成分が少なくなるた
め、周波数固定励起している場合のような高いレーザ出
力は必要なくなり、所要レーザパワーが低減され、十分
高い経済性が得られる。
／２であり、比較的小さいため、各励起・電離段におい
て、対象奇数核同位体の光吸収周波数スペクトルが超微
細構造で拡がっている上に、その主要遷移の本数は４本
で比較的少なく間隔が広いが、図２に示すようなレーザ
照射条件下では、各励起段のレーザ発振周波数が吸収遷
移ラインと一致するチャンスが増加するため、周波数固
定励起している場合よりも励起効率は改善される。すな
わち、照射光エネルギのうち励起・電離に効率よく寄与
しないディチューニングした周波数成分が少なくなるた
め、周波数固定励起している場合のような高いレーザ出
力は必要なくなり、所要レーザパワーが低減され、十分
高い経済性が得られる。
【００３３】また、対象奇数核同位体の各励起段の主要
遷移の共鳴１光子吸収スペクトルの超微細構造のパター
ンの例および近共鳴３光子吸収励起効果の例とその効果
を生じさせるためのレーザ発振周波数掃引条件を図４、
図５に示す。
遷移の共鳴１光子吸収スペクトルの超微細構造のパター
ンの例および近共鳴３光子吸収励起効果の例とその効果
を生じさせるためのレーザ発振周波数掃引条件を図４、
図５に示す。
【００３４】例えば図４（ａ）に示すような超微細構造
の場合において、図４（ｂ）に示すような基底基準から
電離基準への近共鳴３光子吸収が、各励起段の同一名の
主要遷移ラインに関係して（例えばＡ１→Ａ２→Ａ３、
Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３、…等）高効率に生じるようにするた
めには、第２段励起用、および電離用パルスレーザの２
つのレーザの発振周波数は固定しておき、残りの１つの
第１段励起用レーザの発振周波数は、奇数核同位体の共
鳴３光子吸収スペクトルの超微細構造幅を含む周波数範
囲となるように、１パルス時間内で高速に周波数掃引す
るとよい。なお、この場合の共鳴３光子吸収スペクトル
の超微細構造幅は、ちょうど各励起段の共鳴１光子吸収
スペクトルルの超微細構造幅の和に対応している。
の場合において、図４（ｂ）に示すような基底基準から
電離基準への近共鳴３光子吸収が、各励起段の同一名の
主要遷移ラインに関係して（例えばＡ１→Ａ２→Ａ３、
Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３、…等）高効率に生じるようにするた
めには、第２段励起用、および電離用パルスレーザの２
つのレーザの発振周波数は固定しておき、残りの１つの
第１段励起用レーザの発振周波数は、奇数核同位体の共
鳴３光子吸収スペクトルの超微細構造幅を含む周波数範
囲となるように、１パルス時間内で高速に周波数掃引す
るとよい。なお、この場合の共鳴３光子吸収スペクトル
の超微細構造幅は、ちょうど各励起段の共鳴１光子吸収
スペクトルルの超微細構造幅の和に対応している。
【００３５】また、特に、図４（ｃ）に示すように、主
要遷移の共鳴１光子吸収スペクトルの超微細構造のう
ち、連続する２つの第２段励起・電離段のものがスペク
トルの重心についてほぼ対象な構造を有しており、残り
の１つの第１段励起段のものの幅が主要遷移の共鳴３光
子吸収スペクトルの超微細構造幅にほぼ等しくなるよう
な励起・電離準位を用いる場合は、前者の２つの第２段
励起・電離段用のレーザの発振周波数は重心位置に固定
しておき、後者の１つの第１段励起段用レーザの発振周
波数は、主要遷移の共鳴３光子吸収スペクトルの超微細
構造幅を含む周波数範囲となるように、１パルス時間内
で高速に周波数掃引するとよい。
要遷移の共鳴１光子吸収スペクトルの超微細構造のう
ち、連続する２つの第２段励起・電離段のものがスペク
トルの重心についてほぼ対象な構造を有しており、残り
の１つの第１段励起段のものの幅が主要遷移の共鳴３光
子吸収スペクトルの超微細構造幅にほぼ等しくなるよう
な励起・電離準位を用いる場合は、前者の２つの第２段
励起・電離段用のレーザの発振周波数は重心位置に固定
しておき、後者の１つの第１段励起段用レーザの発振周
波数は、主要遷移の共鳴３光子吸収スペクトルの超微細
構造幅を含む周波数範囲となるように、１パルス時間内
で高速に周波数掃引するとよい。
【００３６】なお、この場合は、図４（ｄ）に示すよう
な基底準位から電離準位への近共鳴３光子吸収が、各励
起段の同一名の主要遷移ラインに関係して（例えばＡ１
→Ａ２→Ａ３、Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３、…等）高効率に生じ
ており、このうち第１段励起準位から電離準位へは常に
近共鳴２光子吸収の条件が成立しているため。図４
（ｂ）よりもさらに励起・電離効率は向上する。
な基底準位から電離準位への近共鳴３光子吸収が、各励
起段の同一名の主要遷移ラインに関係して（例えばＡ１
→Ａ２→Ａ３、Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３、…等）高効率に生じ
ており、このうち第１段励起準位から電離準位へは常に
近共鳴２光子吸収の条件が成立しているため。図４
（ｂ）よりもさらに励起・電離効率は向上する。
【００３７】 例えば図５（ａ）に示すような超微細構
造の場合において、図５（ｂ）に示すような基底準位か
ら電離準位への近共鳴３光子吸収が、各励起段の同一名
の主要遷移ラインに関係して（例えばＡ１→Ａ２→Ａ
３、Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３、…等）高効率に生じるようにす
るためには、１の電離用パルスレーザの発振周波数は固
定しておき、残りの２つの第１段励起用・第２段励起用
レーザの発振周波数は、１パルス時間内で高速に周波数
掃引し、それら３つのレーザ周波数の和が奇数核同位体
の共鳴３光子吸収スペクトルの超微細構造を含む周波数
範囲となるようにするとよい。なお、この場合の共鳴３
光子吸収スペクトメの超微細構造幅は、ちょうど各励起
段の共鳴１光子吸収スペクトルの超微細構造幅の和に対
応している。
造の場合において、図５（ｂ）に示すような基底準位か
ら電離準位への近共鳴３光子吸収が、各励起段の同一名
の主要遷移ラインに関係して（例えばＡ１→Ａ２→Ａ
３、Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３、…等）高効率に生じるようにす
るためには、１の電離用パルスレーザの発振周波数は固
定しておき、残りの２つの第１段励起用・第２段励起用
レーザの発振周波数は、１パルス時間内で高速に周波数
掃引し、それら３つのレーザ周波数の和が奇数核同位体
の共鳴３光子吸収スペクトルの超微細構造を含む周波数
範囲となるようにするとよい。なお、この場合の共鳴３
光子吸収スペクトメの超微細構造幅は、ちょうど各励起
段の共鳴１光子吸収スペクトルの超微細構造幅の和に対
応している。
【００３８】また、特に、図５（ｃ）に示すように、主
要遷移の共鳴１光子吸収スペクトルの超微細構造のう
ち、１つの電離段のものがスペクトルの重心近傍にほぼ
集中する構造を有しており、残りの２つの第１段・第２
段励起段のものの幅の和が主要遷移の共鳴３光子吸収ス
ペクトルの超微細構造幅にほほ等しくなるような励起・
電離準位を用いる場合は、前者の１つの電離段用のレー
ザの発振周波数は重心位置に固定しておき、後者の２つ
の第１段・第２段励起段用レーザの発振周波数は、主要
遷移の近共鳴３光子吸収が起きるような条件を成立させ
ながら、それぞれの励起段の主要遷移の共鳴１光子吸収
の超微細構造幅を含む周波数範囲で、１パルス時間内で
高速に周波数掃引するとよい。
要遷移の共鳴１光子吸収スペクトルの超微細構造のう
ち、１つの電離段のものがスペクトルの重心近傍にほぼ
集中する構造を有しており、残りの２つの第１段・第２
段励起段のものの幅の和が主要遷移の共鳴３光子吸収ス
ペクトルの超微細構造幅にほほ等しくなるような励起・
電離準位を用いる場合は、前者の１つの電離段用のレー
ザの発振周波数は重心位置に固定しておき、後者の２つ
の第１段・第２段励起段用レーザの発振周波数は、主要
遷移の近共鳴３光子吸収が起きるような条件を成立させ
ながら、それぞれの励起段の主要遷移の共鳴１光子吸収
の超微細構造幅を含む周波数範囲で、１パルス時間内で
高速に周波数掃引するとよい。
【００３９】なお、この場合は、図５（ｄ）に示すよう
な基底準位から電離準位への近共鳴３光子吸収が、各励
起段の同一名の主要遷移ラインに関係して（例えばＡ１
→Ａ２→Ａ３、Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３、…等）高効率に生じ
ており、このうち第２段励起準位から電離準位へは常に
近共鳴１光子効率の条件が成立しているため、図５
（ｂ）よりもさらに励起・電離効率は向上する。
な基底準位から電離準位への近共鳴３光子吸収が、各励
起段の同一名の主要遷移ラインに関係して（例えばＡ１
→Ａ２→Ａ３、Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３、…等）高効率に生じ
ており、このうち第２段励起準位から電離準位へは常に
近共鳴１光子効率の条件が成立しているため、図５
（ｂ）よりもさらに励起・電離効率は向上する。
【００４０】なお、前記対象奇数核同位体の各励起段の
遷移の共鳴１光子吸収スペクトル、基底準位から電離準
位への共鳴３光子吸収スペクトルの超微細構造について
は、説明の簡単化のために主要遷移ラインのみを考慮し
て近共鳴多光子吸収励起の効果（作用）を記した。しか
し、一般には、副次遷移ライン（主要遷移ライン以外の
遷移）の効果も全く同様に生じるので、基底準位から電
離準位への近共鳴多光子吸収を生じさせるためには、副
次遷移も含めた超微細構造スペクトルに対して、上記レ
ーザ照射タイミングと周波数掃引の適用を行なえば、同
位体分離の方法をさらに一般化することができる。
遷移の共鳴１光子吸収スペクトル、基底準位から電離準
位への共鳴３光子吸収スペクトルの超微細構造について
は、説明の簡単化のために主要遷移ラインのみを考慮し
て近共鳴多光子吸収励起の効果（作用）を記した。しか
し、一般には、副次遷移ライン（主要遷移ライン以外の
遷移）の効果も全く同様に生じるので、基底準位から電
離準位への近共鳴多光子吸収を生じさせるためには、副
次遷移も含めた超微細構造スペクトルに対して、上記レ
ーザ照射タイミングと周波数掃引の適用を行なえば、同
位体分離の方法をさらに一般化することができる。
【００４１】
【実施例】以下、本発明のガドリニウムの同位体分離方
法および装置を用いて、ガドリニウムの奇数核同位体Ｇ
ｄ１５７の３波長３段励起・電離を行った際の一実施例
を、図６〜図９を参照して説明する。
法および装置を用いて、ガドリニウムの奇数核同位体Ｇ
ｄ１５７の３波長３段励起・電離を行った際の一実施例
を、図６〜図９を参照して説明する。
【００４２】図６は、本実施例に係るガドリニウムの同
位体分離装置の一構成例を示す概念図である。このガド
リニウムの同位体分離装置では、ほぼ真空状態に維持さ
れた密閉空間の内底部に、複数種類の同位体を含むガド
リニウムの金属原料１を収容した蒸発用るつぼ２が設置
されている。このガドリニウム金属原料１には電子銃３
から発射されて偏向磁場により曲げられた電子ビーム４
が照射される。
位体分離装置の一構成例を示す概念図である。このガド
リニウムの同位体分離装置では、ほぼ真空状態に維持さ
れた密閉空間の内底部に、複数種類の同位体を含むガド
リニウムの金属原料１を収容した蒸発用るつぼ２が設置
されている。このガドリニウム金属原料１には電子銃３
から発射されて偏向磁場により曲げられた電子ビーム４
が照射される。
【００４３】ガドリニウム金属原料１は加熱溶融されて
蒸発し、ガドリニウム蒸気流５を形成する。すなわち、
蒸発用るつぼ２、電子銃３、および電子ビーム４が蒸発
流生成手段を構成する。
蒸発し、ガドリニウム蒸気流５を形成する。すなわち、
蒸発用るつぼ２、電子銃３、および電子ビーム４が蒸発
流生成手段を構成する。
【００４４】ガドリニウム蒸気流５の流路上方には製品
回収用の電極６が設置されている。この電極６は、正電
位が印加される複数の陽電極７と、陽電極７の電位より
相対的に低い負電位が印加されている複数の陰電極８と
を、蒸気流５の流れ方向にほぼ平行に対向させて所要間
隔をおいて交互に配置して構成されている。各陽電極７
と各陰電極８との間には、光反応部９が形成され、各光
反応部９には蒸気流５の流れに対して直角方向にレーザ
光照射システム１０からパルスレーザ光Ｓがそれぞれ照
射される。
回収用の電極６が設置されている。この電極６は、正電
位が印加される複数の陽電極７と、陽電極７の電位より
相対的に低い負電位が印加されている複数の陰電極８と
を、蒸気流５の流れ方向にほぼ平行に対向させて所要間
隔をおいて交互に配置して構成されている。各陽電極７
と各陰電極８との間には、光反応部９が形成され、各光
反応部９には蒸気流５の流れに対して直角方向にレーザ
光照射システム１０からパルスレーザ光Ｓがそれぞれ照
射される。
【００４５】レーザ光照射システム１０は３系統から構
成され、例えば図７に示すように、奇数核同位体Ｇｄ１
５７を選択的に励起させて電離させるための第１段励起
用、第２段励起用および電離用パルスレーザ光を出力す
る、銅蒸気レーザ励起の色素レーザ装置１１Ａ〜１１Ｃ
と、これらの色素レーザ装置１１Ａ〜１１Ｃの各出力側
に設けられ、１パルス時間内で高速に周波数掃引するた
めの周波数制御用電気光学素子１２Ａ〜１２Ｃと、これ
らを周波数変調作動させるために印加する高周波高圧電
源１３Ａ〜１３Ｃと、各色素レーザ装置１１Ａ〜１１Ｃ
と高周波高圧電源１３Ａ〜１３Ｃとのタイミングを制御
するためのトリガーパルスを送信するパルスジェネレー
タ１４Ａ〜１４Ｃとを有する。
成され、例えば図７に示すように、奇数核同位体Ｇｄ１
５７を選択的に励起させて電離させるための第１段励起
用、第２段励起用および電離用パルスレーザ光を出力す
る、銅蒸気レーザ励起の色素レーザ装置１１Ａ〜１１Ｃ
と、これらの色素レーザ装置１１Ａ〜１１Ｃの各出力側
に設けられ、１パルス時間内で高速に周波数掃引するた
めの周波数制御用電気光学素子１２Ａ〜１２Ｃと、これ
らを周波数変調作動させるために印加する高周波高圧電
源１３Ａ〜１３Ｃと、各色素レーザ装置１１Ａ〜１１Ｃ
と高周波高圧電源１３Ａ〜１３Ｃとのタイミングを制御
するためのトリガーパルスを送信するパルスジェネレー
タ１４Ａ〜１４Ｃとを有する。
【００４６】出力された各パルスレーザ光Ｓ１〜Ｓ３
は、合成用ミラー１５Ａ〜１５Ｃによって同軸合成され
たパルスレーザ光Ｓとなり、ガドリニウム蒸気流に照射
される。
は、合成用ミラー１５Ａ〜１５Ｃによって同軸合成され
たパルスレーザ光Ｓとなり、ガドリニウム蒸気流に照射
される。
【００４７】ここで、パルスレーザ光の出力タイミング
および発振周波数の制御方法について、図８および図９
によって説明する。図８は、図７の３系統のレーザ光照
射システムの中から１系統のレーザ光照射システム（１
１Ａ〜１４Ｃ）を抜き出して示したものであり、図９は
発振周波数の制御方法を示したものである。
および発振周波数の制御方法について、図８および図９
によって説明する。図８は、図７の３系統のレーザ光照
射システムの中から１系統のレーザ光照射システム（１
１Ａ〜１４Ｃ）を抜き出して示したものであり、図９は
発振周波数の制御方法を示したものである。
【００４８】図８に示すように、パルスジェネレータ１
４Ａからのトリガーパルスｔｐ１を受けて、同蒸気レー
ザ励起の色素レーザ装置１１Ａから、１パルス時間内で
周波数一定のパルスレーザ光Ｓａが出力される。また、
パルスジェネレータ１４Ａからのトリガーパルスｔｐ２
を受けて、電気光学素子１２Ａを作動させるための高周
波高圧電源１３Ａから、交流電圧Ｅ１が出力される。周
波数一定のパルスレーザ光Ｓａは、電気光学素子１２Ａ
を通過するとき、電気光学効果を受けて、１パルス時間
内で高速に周波数掃引されたパルスレーザ光Ｓｂとなっ
て周波数制御される。
４Ａからのトリガーパルスｔｐ１を受けて、同蒸気レー
ザ励起の色素レーザ装置１１Ａから、１パルス時間内で
周波数一定のパルスレーザ光Ｓａが出力される。また、
パルスジェネレータ１４Ａからのトリガーパルスｔｐ２
を受けて、電気光学素子１２Ａを作動させるための高周
波高圧電源１３Ａから、交流電圧Ｅ１が出力される。周
波数一定のパルスレーザ光Ｓａは、電気光学素子１２Ａ
を通過するとき、電気光学効果を受けて、１パルス時間
内で高速に周波数掃引されたパルスレーザ光Ｓｂとなっ
て周波数制御される。
【００４９】このとき、パルスレーザ光Ｓｂの掃引周波
数は、パルスレーザ光Ｓａの発振周波数を中心として、
交流電圧Ｅ１と同一のサイクル周波数（周期）の正弦関
数で時間的に変化する周波数関数の一部分をパルス時間
幅で切り出した状態に制御される。また、パルスレーザ
光Ｓｂが出力された直後に、再びパルスジェネレータ１
４Ａからのトリガーパルスｔｐ２を受けて、高周波高圧
電源１３Ａからの交流電圧Ｅ１の出力が切られる。
数は、パルスレーザ光Ｓａの発振周波数を中心として、
交流電圧Ｅ１と同一のサイクル周波数（周期）の正弦関
数で時間的に変化する周波数関数の一部分をパルス時間
幅で切り出した状態に制御される。また、パルスレーザ
光Ｓｂが出力された直後に、再びパルスジェネレータ１
４Ａからのトリガーパルスｔｐ２を受けて、高周波高圧
電源１３Ａからの交流電圧Ｅ１の出力が切られる。
【００５０】図８（ａ）〜（ｄ）は、パルスレーザ光Ｓ
ｂの発振周波数の掃引制御例を示している。トリガーパ
ルスｔｐ１とｔｐ２のタイミング制御によって、同図
（ａ）のように低周波から高周波数へ掃引したり、
（ｂ）のように高周波数から低周波数へ掃引したり、
（ｃ）のように高周波数から低周波数へ掃引した後に再
び高周波数へ掃引したり、さらに（ｄ）のように低周波
数から高周波数へ掃引した後に再び測定周波数へ掃引し
たりする。
ｂの発振周波数の掃引制御例を示している。トリガーパ
ルスｔｐ１とｔｐ２のタイミング制御によって、同図
（ａ）のように低周波から高周波数へ掃引したり、
（ｂ）のように高周波数から低周波数へ掃引したり、
（ｃ）のように高周波数から低周波数へ掃引した後に再
び高周波数へ掃引したり、さらに（ｄ）のように低周波
数から高周波数へ掃引した後に再び測定周波数へ掃引し
たりする。
【００５１】周波数の最大掃引幅は交流電圧に比例する
ので、ガドリニウムの光吸収スペクトルの超微細構造の
幅に対応させて調整可能である。また、交流電圧のサイ
クル周波数（周期）を調整することで、ガドリニウムの
光吸収スペクトルの超微細構造の並び方に対応させて、
レーザの１パルス時間内での掃引周期を変化させること
も可能である。
ので、ガドリニウムの光吸収スペクトルの超微細構造の
幅に対応させて調整可能である。また、交流電圧のサイ
クル周波数（周期）を調整することで、ガドリニウムの
光吸収スペクトルの超微細構造の並び方に対応させて、
レーザの１パルス時間内での掃引周期を変化させること
も可能である。
【００５２】本実施例では一例として、第１段励起段、
第２段励起段、電離段のＧｄ−１５７の光吸収スペクト
ルが、それぞれ図８（ｅ），（ｆ），（ｇ）のような超
微細構造を有している場合に、それぞれ励起・電離段に
おいて、同図（ｂ），（ａ），（ｇ）のような周波数パ
ターンとなるような掃引を行う。これにより、近共鳴３
光子吸収が効率的に起こる。
第２段励起段、電離段のＧｄ−１５７の光吸収スペクト
ルが、それぞれ図８（ｅ），（ｆ），（ｇ）のような超
微細構造を有している場合に、それぞれ励起・電離段に
おいて、同図（ｂ），（ａ），（ｇ）のような周波数パ
ターンとなるような掃引を行う。これにより、近共鳴３
光子吸収が効率的に起こる。
【００５３】このような条件の下で、Ｇｄ−１５７の電
離率が最大となるように、さらに各励起・電離段のレー
ザ出力バランスを最適化すると、非対象同位体のディチ
ューニング励起が抑制されて選択性が向上し、かつ所要
レーザ出力も低減されて経済性が向上する。
離率が最大となるように、さらに各励起・電離段のレー
ザ出力バランスを最適化すると、非対象同位体のディチ
ューニング励起が抑制されて選択性が向上し、かつ所要
レーザ出力も低減されて経済性が向上する。
【００５４】このようにして励起・電離したＧｄ−１５
７イオンは、電場により図６の製品回収板１６に分離回
収される。一方、電離しなかった非対象同位体は、図６
の円弧状の付着板１６に回収される。
７イオンは、電場により図６の製品回収板１６に分離回
収される。一方、電離しなかった非対象同位体は、図６
の円弧状の付着板１６に回収される。
【００５５】なお、図９（ｂ）、（ａ）、（ｇ）のよう
な周波数掃引の切り出しパターンは、トリガーパルスｔ
ｐ１，ｔｐ２で決まるので、３系統のレーザそれぞれに
おいてこの制御を行った後に、合成レーザパルス光が同
時照射タイミングとなるように、各３系統間のトリガー
パルスｔｐ１同士のタイミングも調整しておく必要があ
る。
な周波数掃引の切り出しパターンは、トリガーパルスｔ
ｐ１，ｔｐ２で決まるので、３系統のレーザそれぞれに
おいてこの制御を行った後に、合成レーザパルス光が同
時照射タイミングとなるように、各３系統間のトリガー
パルスｔｐ１同士のタイミングも調整しておく必要があ
る。
【００５６】以上の実施例によれば、複数の同位体を含
むガドリニウム金属原料１を加熱蒸発せしめて生成され
たガドリニウム蒸気流Ｓに、レーザ光出力制御手段によ
って出力タイミングおよび１パルス時間内での発振周波
数を制御された第１段励起用パルスレーザ光Ｓ１、第２
段励起用パルスレーザ光Ｓ２および電離用パルスレーザ
光Ｓ３を照射して、ガドリニウムの奇数核同位体を選択
的に近共鳴多光子吸収励起・電離させることによって、
非対象同位体についてのディチューニング励起効果が低
減され、さらには所要レーザ出力が十分抑えられるた
め、十分高い分離性能および十分高い経済性が得られ
る。
むガドリニウム金属原料１を加熱蒸発せしめて生成され
たガドリニウム蒸気流Ｓに、レーザ光出力制御手段によ
って出力タイミングおよび１パルス時間内での発振周波
数を制御された第１段励起用パルスレーザ光Ｓ１、第２
段励起用パルスレーザ光Ｓ２および電離用パルスレーザ
光Ｓ３を照射して、ガドリニウムの奇数核同位体を選択
的に近共鳴多光子吸収励起・電離させることによって、
非対象同位体についてのディチューニング励起効果が低
減され、さらには所要レーザ出力が十分抑えられるた
め、十分高い分離性能および十分高い経済性が得られ
る。
【００５７】
【発明の効果】本発明に係るガドリニウムの同位体分離
方法および装置によれば、複数の同位体を含むガドリニ
ウム金属原料を加熱蒸発せしめて生成された蒸気流に、
レーザ光出力制御手段によって出力タイミングおよび発
振周波数を制御された複数段のパルスレーザ光を照射し
て、ガドリニウムの奇数核同位体を選択的に近共鳴多光
子吸収励起・電離させるので、非対象同位体についての
ディチューニング励起効果が低減でき、しかも所要レー
ザ出力が十分抑えられるので、十分高い分離性能および
十分高い経済性が得られる。
方法および装置によれば、複数の同位体を含むガドリニ
ウム金属原料を加熱蒸発せしめて生成された蒸気流に、
レーザ光出力制御手段によって出力タイミングおよび発
振周波数を制御された複数段のパルスレーザ光を照射し
て、ガドリニウムの奇数核同位体を選択的に近共鳴多光
子吸収励起・電離させるので、非対象同位体についての
ディチューニング励起効果が低減でき、しかも所要レー
ザ出力が十分抑えられるので、十分高い分離性能および
十分高い経済性が得られる。
【図１】本発明の概念説明で、ガドリニウムの主要遷移
の共鳴１光子吸収スペクトル超微細構造を示す図。
の共鳴１光子吸収スペクトル超微細構造を示す図。
【図２】本発明におけるガドリニウムの同位体分離用パ
ルスレーザ光の出力タイミングおよび発振周波数制御を
示す図。
ルスレーザ光の出力タイミングおよび発振周波数制御を
示す図。
【図３】本発明におけるガドリニウムの超微細構造準位
間の主要遷移ラインを経由する近共鳴３光子吸収励起効
果を示す図。
間の主要遷移ラインを経由する近共鳴３光子吸収励起効
果を示す図。
【図４】本発明におけるガドリニウムの超微細構造準位
間の主要遷移ラインを経由する近共鳴３光子吸収励起効
果を示す図。
間の主要遷移ラインを経由する近共鳴３光子吸収励起効
果を示す図。
【図５】本発明におけるガドリニウムの超微細構造準位
間の主要遷移ラインを経由する近共鳴３光子吸収励起効
果を示す図。
間の主要遷移ラインを経由する近共鳴３光子吸収励起効
果を示す図。
【図６】本発明に係るガドリニウムの同位体分離装置の
一実施例を示す概略構成図。
一実施例を示す概略構成図。
【図７】本発明に係るガドリニウムの同位体分離装置の
一実施例におけるレーザ光照射システムを示す概略ブロ
ック図。
一実施例におけるレーザ光照射システムを示す概略ブロ
ック図。
【図８】本発明に係るガドリニウムの同位体分離装置の
一実施例におけるレーザ光照射システムの１系統を示す
ブロック図。
一実施例におけるレーザ光照射システムの１系統を示す
ブロック図。
【図９】図８における超微細構造スペクトルに対応させ
て発振周波数を制御する方法を示す図。
て発振周波数を制御する方法を示す図。
１ ガドリニウム金属原料
２ 蒸発用るつぼ
３ 電子銃
４ 電子ビーム
５ ガドリニウム蒸気流
６ 製品回収用電極
７ 陽電極
８ 陰電極
９ 光反応部
１０ レーザ光照射システム
１１Ａ〜１１Ｃ 銅蒸気レーザ励起色素レーザ装置
１２Ａ〜１２Ｃ 電気光学素子
１３Ａ〜１３Ｃ 高周波高圧電源
１４Ａ〜１４Ｃ パルスジェネレータ
１５Ａ〜１５Ｃ 合成用ミラー
１６ 付着板
Ｅ 交流電圧
Ｓ 合成パルスレーザ光
Ｓ１〜Ｓ３ パルスレーザ光
Ｓａ 周波数一定のパルスレーザ光
Ｓｂ 周波数掃引（チャーピング）されたレーザ光
ｔｐ１，ｔｐ２ トリガーパルス
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 荒木 義雄
東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会
社東芝 本社事務所内
(56)参考文献 特開 平５−301029（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−229131（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−317722（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B01D 59/00 - 59/50
Claims (11)
- 【請求項１】 複数の同位体を含むガドリニウム金属原
料を加熱蒸発させて蒸気流を生成する蒸気流生成工程
と、生成したガドリニウム蒸気に出力タイミングおよび
発振周波数を制御した励起および電離用の複数段のパル
スレーザ光を照射することによって、ガドリニウムの奇
数核同位体を選択的に近共鳴多光子吸収励起および電離
してガドリニウムイオンを生成するイオン生成工程と、
上記ガドリニウムイオンを電極に回収する回収工程とか
ら成ることを特徴とするガドリニウムの同位体分離方
法。 - 【請求項２】 イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への近共鳴３光子吸収遷移を生じさせ、
この場合、第１段励起用、第２段励起用、および電離用
パルスレーザ光のうち２つのレーザ光の発振周波数を固
定しておき、残りの１つのレーザ光の発振周波数を、３
つのレーザ光の周波数の和が奇数核同位体の共鳴３光子
吸収スペクトルの超微細構造を含む周波数範囲となるよ
うに、１パルス時間内で高速に周波数掃引する請求項１
記載のガドリニウムの同位体分離方法。 - 【請求項３】 イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への主要遷移の近共鳴３光子吸収遷移を
生じさせ、この場合、第１段励起段、第２段励起段、お
よび電離段のそれぞれの主要遷移の共鳴１光子吸収スペ
クトルの超微細構造のうち、第１段励起段と第２段励起
段あるいは第２段励起段と電離段のように連続する２つ
の段のスペクトル構造がスペクトルの重心についてほぼ
対称な構造を有するものとし、この連続する２つの段用
のレーザ光の発振周波数は重心位置に固定しておき、残
りの１つの励起段または電離段用レーザ光の発振周波数
は、主要遷移の共鳴３光子吸収スペクトルの超微細構造
幅を含む周波数範囲となるように、１パルス時間内で高
速に周波数掃引する請求項１記載のガドリニウムの同位
体分離方法。 - 【請求項４】 イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への近共鳴３光子吸収遷移を生じさせ、
この場合、第１段励起用、第２段励起用、および電離用
レーザ光のうち１つのレーザ光の発振周波数は固定して
おき、残りの２つのレーザ光の発振周波数は１パルス時
間内で高速に周波数掃引し、それら３つのレーザ光の周
波数の和が奇数核同位体の共鳴３光子吸収スペクトルの
超微細構造を含む周波数範囲となるようにする請求項１
記載のガドリニウムの同位体分離方法。 - 【請求項５】 イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への主要遷移の近共鳴３光子吸収遷移を
生じさせ、この場合、第１段励起段、第２段励起段、お
よび電離段のそれぞれの主要遷移の共鳴１光子吸収スペ
クトルの超微細構造のうち、１つの励起段または電離段
のものがスペクトルの重心近傍にほぼ集中する構造を有
するものとし、残りの２つの励起段または電離段のもの
の幅の和が主要遷移の共鳴３光子吸収スペクトルの超微
細構造幅にほぼ等しくなるような励起・電離準位を用い
て、前者の１つの励起段または電離段用のレーザ光の発
振周波数は重心位置に固定しておき、後者の２つの励起
段または電離段用レーザ光の発振周波数は、主要遷移の
共鳴３光子吸収スペクトルの超微細構造幅を含む周波数
範囲で、１パルス時間内で高速に周波数掃引する請求項
１記載のガドリニウムの同位体分離方法。 - 【請求項６】 イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への近共鳴３光子吸収遷移を生じさせ、
この場合、第１段励起用、第２段励起用、および電離用
レーザ光の３つのレーザ光の発振周波数は１パルス時間
内で高速に周波数掃引し、それら３つのレーザ光の周波
数の和が奇数核同位体の共鳴３光子吸収スペクトルの超
微細構造を含む周波数範囲となるようにする請求項１記
載のガドリニウムの同位体分離方法。 - 【請求項７】 イオン生成工程において、第１段励起用
パルスレーザ光、第２段励起用パルスレーザ光および電
離用パルスレーザ光を同時照射して基底並びに準安定準
位から電離準位への主要遷移の近共鳴３光子吸収遷移を
生じさせ、この場合、第１段励起段、第２段励起段、お
よび電離段のそれぞれのレーザ光の発振周波数は、主要
遷移の近共鳴３光子吸収が起きるような条件を成立させ
ながら、それぞれの励起段の主要遷移の共鳴１光子吸収
スペクトルの超微細構造幅を含む周波数範囲で、１パル
ス時間内で高速に周波数掃引する請求項１記載のガドリ
ニウムの同位体分離方法。 - 【請求項８】 請求項２から７までに記載の同位体分離
方法における３段階の光励起・電離工程に代えて、光反
応プロセスおよびレーザ装置台数の変更により、２段階
あるいは多段階の光励起・電離工程に拡張することを特
徴とするガドリニウムの同位体分離方法。 - 【請求項９】 複数の同位体を含むガドリニウム金属原
料を加熱蒸発させて蒸気流を生成する蒸気流生成手段
と、上記蒸気流に照射される第１段励起用、第２段励起
用、および電離用パルスレーザ光を出力するレーザ光出
力手段とを備え、電離した奇数核同位体のガドリニウム
を電極に回収するガドリニウムの同位体分離装置におい
て、上記レーザ光出力手段から出力される上記第１段励
起用パルスレーザ光、上記第２段励起用パルスレーザ
光、および上記電離用パルスレーザ光の出力タイミング
および１パルス時間内での発振周波数を制御するレーザ
出力制御手段を備え、上記レーザ出力制御手段は、奇数
核同位体を選択的に近共鳴多光子吸収励起および電離す
るようにレーザ光の発振周波数を時間の関数として制御
することを特徴とするガドリニウムの同位体分離装置。 - 【請求項１０】 レーザ光出力制御手段は、パルスレー
ザ光の周波数を制御するための電気光学素子と、その素
子の作動およびパルスレーザ光の出力のタイミングを制
御するためのトリガー信号を出力するパルスジェネレー
タとを有する請求項９記載のガドリニウムの同位体分離
装置。 - 【請求項１１】 請求項９または１０に記載のガドリニ
ウムの同位体分離装置における３段階の光励起・電離手
段に代えて、光反応プロセスおよびレーザ装置台数の変
更により、２段階あるいは多段階の光励起・電離手段に
拡張することを特徴とするガドリニウムの同位体分離装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10967294A JP3487900B2 (ja) | 1994-05-24 | 1994-05-24 | ガドリニウムの同位体分離方法および装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10967294A JP3487900B2 (ja) | 1994-05-24 | 1994-05-24 | ガドリニウムの同位体分離方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07313844A JPH07313844A (ja) | 1995-12-05 |
| JP3487900B2 true JP3487900B2 (ja) | 2004-01-19 |
Family
ID=14516251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10967294A Expired - Fee Related JP3487900B2 (ja) | 1994-05-24 | 1994-05-24 | ガドリニウムの同位体分離方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3487900B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100478533B1 (ko) * | 2002-07-30 | 2005-03-28 | 한국수력원자력 주식회사 | 레이저를 이용한 탈륨 동위원소 분리방법 |
| JP2012049141A (ja) * | 2005-01-14 | 2012-03-08 | Ideal Star Inc | プラズマ源、イオン源、及び、イオン生成方法 |
-
1994
- 1994-05-24 JP JP10967294A patent/JP3487900B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
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|---|---|
| JPH07313844A (ja) | 1995-12-05 |
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