JP3626118B2 - 確率的サイクロトロンイオンフィルタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、多種のプラズマ中の他の荷電粒子の中からあらかじめ定められた質量をもつ粒子(イオン)を分離するために有用な装置に一般的に関するものである。特に、本発明は、プラズマの中から特定のイオンを隔離および分離するための共振電界を用いて、選択された粒子(イオン)を加速する装置に関するものである。本発明は、特に、しかしこれに限られることなく、あらかじめ定められた周波数領域をもち、周波数領域の中の各サイクロトロン周波数をもつ特定の粒子に共振する確率的に生成された電界を用い、以って、プラズマ中の他の荷電粒子から特定の粒子を分離するために有用なものである。
【0002】
【従来の技術】
サイクロトロン共振は、電磁力が荷電粒子系に結合する条件のもとで発生する。この結合の結果、イオンサイクロトロン共振加熱(ICRH)として知られている現象が見られる。簡単に言うと、ICRHは、荷電粒子(例えば、イオン)が均一な磁界中にあり、電磁力の周波数が荷電粒子のサイクロトロン周波数に共振した時に起こる。この結果、荷電粒子は、電磁力からエネルギを吸収することによって、らせん状の軌跡を描いて加速される。
【0003】
基本的なサイクロトロンでは、荷電粒子は、一定の周波数をもつ電磁波によって加速される。しかし、極めて高いエネルギのイオンでは、相対的質量の増加があるため、一定の周波数を用いて到達させることができる最大のイオンエネルギーには制限を受ける。この質量の増加によって、電磁力の周波数と荷電粒子のサイクロトロン周波数間の共振についての同期関係が崩れてしまう。この問題を解決するために、電磁力を変調し、これにより相対的質量を補償するシンクロサイクロトロンが発明された。しかし、相対的質量の増加に同期する動作を維持するために必要となる電磁力の動的な変調には、疑問の余地がある。従って、このような動作の定常状態を効果的にもたらすために、確率的なサイクロトロンが発明された。本質的には、確率的サイクロトロンは、特定の周波数領域内で相対論的質量が増加し、結果として生じるイオンのサイクロトロン周波数がこの領域に留まる間は、確率的サイクロトロン中のイオンを統計的に加速し、ランダム入力を与えることができる。
【0004】
プラズマ質量フィルタに関する限り、特定の質量をもつ荷電粒子をプラズマ中の他の粒子から分離するICRHの基本原理は、多種のプラズマに適用できることは公知である。例えば、この手順は、1994年5月13日登録され、発明者ルーベットの名称「イオンサイクロトロン共振による同位体分離装置」とする米国特許5,442,481に記載されている通りである。また、プラズマ質量フィルタの一例は、1998年11月16日に出願され米国出願09/192,945(発明の名称「プラズマ質量フィルタ」、発明者オオカワ)によって最近公開された。この発明は、粒子の分離をそれらの質量/電荷比の大きさに基づいて行うものである。この技術を用いる際には、ほぼ同数の質量番号を荷電粒子のグループをまとめて隔離および分離することが望ましい場合もある。例えば、ある適用例では、放射性廃棄物から超ウラン元素あるいは核分裂破片を除去することが望ましい。この場合には、超ウラン元素は、235から240の質量数をもち、また核分裂破片は、80から120の質量数をもつ。非放射性物質の多くは、60以下の質量数をもっている。このような状況では、235から240の質量数をもつ粒子と、30から120の質量数をもつ粒子の全てを除去することが望ましい。この条件をどのように実現できるのかを表現する数学的な記述が有用となる。
【0005】
イオンの加速を記述する際には、電界Eがx軸方向に均一である場合を想定する(静磁界は、z軸方向に広がっている)。時間依存関係は、
【数1】
によって与えられ、ここでFは、フーリエ成分である。ホワイトノイズスペクトルを周波数ω1とω2の間の白色雑音スペクトルとなるように、すなわち、
【数2】
ω2≧ω≧ω1の時、F[ω]=F
ω>ω2およびω<ω1の時、F[ω]=0 (式2)
と設定する。
イオンの運動方程式は、
【数3】
Mdvx/dt=evyB+eEx
Mdvy/dt=−evxB
Mdvz/dt=0 (式3)
によって与えられ、ここで、Mは、イオンの質量、Bは静磁界である。uを、
u=exp[iΩt][vx+ivy]によって定義し、ここでΩ=eB/Mとすると、
【数4】
が得られる。ここで、添数0は、時刻t=0での値を表す。
【0006】
第1項には、共振項が含まれず、無視できる。数式2によって与えられたF[ω]の共振部は、
【数5】
となる。
上記の表現は、正弦積分Siと余弦積分Ciを用いて記述することができ、
【数6】
が得られ、ここでγ=1.781である。
【0007】
変数が十分小さい値をとる場合には、Si[ξ]→ξおよび
と考えることができ、
【数7】
が得られる。ここでは、u0=0と仮定した。
電界強度Eは、E=[ω2−ω1]Fによって与えられ、数式7は、
【数8】
となる。
【0008】
漸近限界では、
Si[ξ]→π/2−cosξ/ξおよび
Ci[ξ]→sinξ/ξ
となる。
対数部を無視することにより、
【数9】
u→[eF/2M]π=[eE/2M]π[ω2−ω1]−1 (式9)
が得られる。
【0009】
数式8および数式9によって与えられる速度は、最初は、単一周波数共振の速度に等しい速度でイオンが加速され、サイクロンサイクルの後は、加速は収まることを示している。
【0010】
ω1とω2の間の周波数区間には、サイクロトロン周波数Ci、すなわち、
Ω<ω1<ω2 または Ω>ω2>ω1
は含まれず、数式1によって与えられる速度の実部は、
【数10】
となる。
いずれの場合にも、t→∞の時、Reu→0(uの実部は0に漸近する)である。
上記の記述は、この周波数区間にサイクロトロン周波数が含まれない限り、加速は起こらないことを示している。
【0011】
上記の数式表現の他の結果として、イオンが加速される際に生じるイオン間の衝突による確率変動に対して、確率的加速は、耐性をもっているという結果も導くことができる。これは、サイクロトロン共振を得るために単一の一定周波数を用いる通常のサイクロトロン動作とは対照的なものである。通常のサイクロトロン(固定周波数)の場合には、共振イオンと非共振イオンの間の衝突は、電磁力の入力周波数と加速イオンのサイクロトロン周波数との間の同期(共振)関係を崩すものである。これらの衝突のために、通常のサイクロトロンの性能は低下する。一方、確率的電磁入力については、イオンの質量が適切な範囲にある限り、いくつかのイオン種を加速するのに十分な帯域幅がある。さらに、イオンの衝突周波数(v)が確率的電磁入力(ω2−ω1.v)の帯域幅(ω2−ω1)を越えない限り、加速イオン間で起こりうる衝突が加速に影響を及ぼすことはない。この結果、最大の効率をもたらす可能性が生まれる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記に鑑み、本発明の目的は、あらかじめ定められた範囲内にある質量数をもつイオンを多種のプラズマの中から選択的に隔離および分離することが可能な確率的サイクロトロンイオンフィルタを提供することにある。また、本発明の他の目的は、より高い効率を達成するために動作が可能な確率的サイクロトロンイオンフィルタを提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、比較的簡単に製造でき、簡単に使用でき、比較的低価格な確率的サイクロトロンイオンフィルタを提供することである。
【0013】
【発明を解決するための手段】
本発明によれば、確率的サイクロトロンイオンフィルタは、交差した電界と磁界(E×B)を必要とし、その電界は、確率的入力を用いることにより得られる高周波電磁力をもっている。特に、確率的入力は、白色雑音源と、雑音源に接続された帯域通過フィルタとによって生成される。本発明で意図するように、帯域通過フィルタは、あらかじめ定められた周波数区間、すなわち、第1の周波数(ω1)と第2の周波数(ω2)の間の帯域幅にある全ての周波数に含まれ、雑音中のこれらの周波数成分のみを通過させる。増幅器もまた提供され、帯域通過フィルタに接続され、この周波数区間の周波数を補強する。
【0014】
確率的入力と組み合わせ、本発明は、プラズマ源からの多種のプラズマを受け入れるために提供される実質的に円柱状の容器を含んでいる。この容器は、長さ方向の軸をもっており、容器のまわりに配置された複数の磁気コイルを持っている。特に、容器の中に軸方向に向いた均一な磁界(B)を作り出すために、これらの磁気コイルは、実質的にこの軸に垂直な平面に沿わせたものになっている。また、振動電界(E)が生成され、容器に交差した電磁界(E×B)を生み出すために、実質的に磁界に垂直な向きに配置されている。本発明のために選ばれた特定の実施例に応じて、いくつかの方法のいずれかを用いて、容器内に確率的な高周波電界を生成できる。
【0015】
本発明の一実施例では、電極(例えば、同心円状の複数の電極)が、円柱状の容器の一端に取り付けられ、確率的入力の増幅器に接続されている。この接続により、高周波電界の周波数は、帯域通過フィルタによって通された、この周波数区間の全ての周波数を含んでいる。本実施例の変形では、静電界は、この分野の技術に通じた者には既知の他の手段によっても得ることができる。
【0016】
本発明の他の実施例では、電磁コイルを付け加え容器の周囲に配置し、容器内の均一な磁界(B)に追加の磁界を重ね合わせることができる。次に、この電磁コイルを増幅器に接続し、周波数区間の周波数で動作させることにより、容器内に電界を生じさせることができる。必要に応じて、容器の必要な部分だけに、電磁コイルによる影響を及ぼすことができる。従って、確率的なサイクロトロンイオンフィルタの効果を局所的に及ぼすことができる。
【0017】
本発明で高周波電磁界がどのように生成されるかに関わらず、多種のプラズマから収集される粒子が、ω2−ω1≧vとなる条件を満足する衝突周波数(v)を容器内に持つことが望ましい。この条件のもとでは、周波数区間(ω1<Ω<ω2)内のサイクロトロン周波数(Ω)を持つより多くの荷電粒は、容器内のより大きな起動経路で選択して加速されることになる。選択されて加速される粒子は、バックグラウンドのイオンから分離され収集される。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の新しい特徴は、発明自身に加えて、その構造およびその動作の両方に関し、説明とともに添付の図面を用いてより理解されるものとなる。ここでは、同一部分には同一の記号を用いる。
【0019】
図1は、本発明による確率的サイクロトロンイオンフィルタ(SCIF)を示すものであり、全体的に要素10で示す。図示したように、フィルタ10は、全体的に長さ方向軸14をもつ実質的に円柱状の容器12を含んでいる。また、容器12は、壁20をもつ端部16と端部18をもっており、該壁は端部16と端部18の間に長さ方向に伸びている。本発明では、容器12は、端部16および18に、容器12内に部分的な真空状態を生じさせるための構造(図示なし)もまた含んでいる
【0020】
また、図1は、フィルタ10が複数の磁気コイル22を含んでいることを示しており、磁気コイル22a、22b、22cがその例である。図示したように、これらの磁気コイル22a〜22cは、壁20の外側で、長さ方向軸14に実質的に垂直な平面内に位置するように、各々配置されている。この構成により、磁気コイル22a〜22cの励起により、長さ方向軸14に実質的に水平な方向に、実質的に均一な磁界(B)が容器内に発生する。本発明で意図したところによれば、磁気コイル22a〜22cは、この分野の技術に通じた者には既知の他の手段によって励起することができる。さらに、実質的に均一な磁界(B)を容器内に発生させることが可能なものであれば、磁気コイル22a〜22cの代わりに、既知の任意の構造を本発明に適用することができる。
【0021】
図1に示すように、フィルタ10で使用される確率的入力は、いくつかの構成要素を必要とする。これらの構成要素は、雑音源24、帯域通過フィルタ26および増幅器28である。特に、雑音源24は、白色雑音を生成できるものであれば、既知の任意の種類のものであってよい。帯域通過フィルタ26は、雑音源24に接続され、雑音源24からの白色雑音の中で、あらかじめ定められた周波数区間(帯域幅)の外側に存在する全ての周波数成分を遮断するものである。これとは異なり、帯域通過フィルタ26は、(ω1)と(ω2)の間の周波数区間にある全ての周波数成分を通過させる。さらに、増幅器28は、周波数区間にあるこれらの周波数成分を増幅あるいは強化するために用いられる。
【0022】
図1で示した本発明の一実施例では、増幅器28は、線(接続)30を介して、容器12の端部16に位置する電極32に接続されている。容器12の端部18に、同様の電極(図示なし)に同様の接続を行うことが可能である。さらに、電極32は、この分野の技術に通じた者には既知となっている任意の種類のものであってよい。例えば、図1に示すように、電極32は、複数の同心円状のリング34(図示例では、リング34aとリング34b)を含んでいる。電極32のリング34は、ともに動作することで、容器12の内部に電界(E)を生成することになる。電極32を増幅器28に接続することにより、本発明に必要とされる結果として、周波数(ω1)と(ω2)の間の周波数区間内の全ての周波数成分を含む高周波電界(E)が得られる。
【0023】
図2に示す、本発明の他の実施例では、増幅器28は、線(接続)36を介して、少なくとも1つの電磁コイル38(図示例では、電磁コイル38a、38bおよび38c)に接続されている。これらのコイルは、磁気コイル22と同様に、容器12の外部に置かれ、また、磁界(B)と同様に、長さ方向の軸14に実質的に平行な磁界(B’)を生成するように配置されている。しかし、磁気コイル22とは異なり、容器12の選ばれた長さの部分にのみ沿って、電磁コイル38を選択して配置することが可能である。例えば、本発明で考えられるように、電磁コイル38は、容器12の全長にわたって配置することも可能であり、または図2に示すように、容器12の長さの一部にのみにわたって配置することも可能である。いずれの場合も、電磁コイル38の目的は、振動磁界(B’)を磁界(B)に重ね合わせることである。重要なことは、磁界(B’)を生成する電磁コイル38a〜38cは、増幅器28にも接続されているため、増幅器28からの確率的入力が磁界(B’)にもかけられることである。磁界(B’)の確率的特性によって、(ω1)と(ω2)の間の周波数区間内の全ての周波数成分を含む高周波電界(E)が容器12内に誘起される。
【0024】
本発明の確率的サイクロトロンイオンフィルタ10の動作によって、既知の手段を用い多種のプラズマ40が容器12内に導かれる。一例として、放射性廃棄物から生成されている多種のプラズマ40を考える。この場合、プラズマ40は、質量数が概ね235から340(超ウラン元素)と80から120(核分裂破片)をもつ質量数の大きな粒子42を含んでおり、また、これらの粒子42よりも実質的に質量数の少ない他の粒子44も存在している。さらに、特定の質量数をもつ粒子42に関して、これらは対応するサイクロトロン周波数(Ω)を持っている。
【0025】
本発明が意図するところによれば、多種のプラズマ40中の粒子42のサイクロトロン周波数(Ω)は、増幅器28から入力される確率的入力の周波数区間(ω1とω2の間)内にある。従って、粒子42は、電界(E)と共振し、より小さい質量数をもつ粒子42の軌道より大きな螺旋軌道を描いて加速される。この共振条件によって、粒子42は、プラズマ40から壁20に引き出され、そこで実質的に収集される。
【0026】
ここで詳細に説明した特定の確率的サイクロトロンイオンフィルタ(SCIF)は、当初の目的を果たし、上述の利点をもたらすことができるものの、これは本発明の実施例として一例を示したものにすぎず、特許請求の範囲で記述されるもの以外の構造や設計の詳細について、制限を加えるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による確率的なサイクロトロンイオンフィルタの容器の斜視図であり、確率的入力は、静電界の電極と互いに作用しあって、容器内に高周波電界を生成する。
【図2】本発明による確率的なサイクロトロンイオンフィルタの容器の斜視図であり、確率的入力は、電磁コイルと互いに作用しあって、容器内に高周波電界を誘起する。
【符号の説明】
10 確率的サイクロトロンイオンフィルタ
12 容器
20 壁
22 磁気コイル
32 電極
40 プラズマ
42 粒子
Claims (5)
- 質量に従ってイオンを分離する確率的サイクロトロン・イオン・フィルタであって、
質量( M ) と荷電のあらかじめ定められた比およびサイクロトロン周波数 ( Ω )を有するイオンを含む多種のプラズマを提供するプラズマ源と、
多種のプラズマを受け入れ、軸を形成する実質的に円柱状の容器と、
容器の中に実質的に均一な磁界(B)を生成する生成手段であって、磁界は、容器の軸に対し実質的に平行な方向に配向される生成手段と、
複数の信号を発生する発生手段であって、複数の信号は、第1の周波数(ω1)と第2の周波数(ω2)の周波数区間の周波数を有し、容器の中に電界(E)を生じさせ、電界は、軸に対して実質的に垂直な方向に配向され、容器の中に交差電磁界(E×B)を生じさせる発生手段と、
プラズマから質量(M)のイオンを選択的に収集する収集手段であって、収集された質量(M)のイオンは、周波数区間(ω1<Ω<ω2)のサイクロトロン周波数( Ω )を有する収集手段と、
を含む前記イオン・フィルタ。 - 請求項1記載のイオン・フィルタにおいて、複数の信号を発生する発生手段は、
電極と、
雑音源と、
雑音源に接続され、周波数区間内の周波数を通過させる帯域通過フィルタと、
電極および帯域通過フィルタに接続され、帯域通過フィルタを通過した周波数を増強し電界 ( E ) を確立する増幅器と、
を含む前記イオン・フィルタ。 - 磁界(B)と交差した電界(E)を用いて、質量に従いプラズマのイオンを分離する確率的サイクロトロン・イオン・フィルタであって、前記イオン・フィルタは、
電極と、
雑音源と、
雑音源に接続され、第1の周波数(ω1)と第2の周波数(ω2)の間の周波数区間の周波数を通過させる帯域通過フィルタと、
電極および帯域通過フィルタに接続され、周波数区間の周波数を増強させ電界(E)を生成する増幅器と、
プラズマから粒子を選択的に収集する収集手段であって、収集された粒子は、周波数区間(ω1<Ω<ω2)のサイクロトロン周波数(Ω)を有し、サイクロトロン周波数(Ω)は、電界(E)と共振する前記イオン・フィルタ。 - 請求項3記載のイオン・フィルタにおいて、さらに、多種のプラズマを受け入れ軸を形成する実質的に円柱状の容器と、容器の中に実質的に均一な磁界(B)を生成する生成手段であって、磁界(B)は、容器の軸に対し実質的に平行な方向に配向される生成手段とを含む前記イオン・フィルタ。
- 請求項4記載のイオン・フィルタにおいて、容器は、第1の端部と第2の端部を有し、容器の第1の端部は、電極に取り付けられ、増幅器に接続された電極は、容器の中に電界(E)を生成する前記イオン・フィルタ。
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