JP3626118B2 - 確率的サイクロトロンイオンフィルタ - Google Patents

Description

【０００１】
【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ω_１とω_２の間の白色雑音スペクトルとなるように、すなわち、
【数２】
ω_２≧ω≧ω_１の時、Ｆ［ω］＝Ｆ
ω＞ω_２およびω＜ω_１の時、Ｆ［ω］＝０ （式２）
と設定する。
イオンの運動方程式は、
【数３】
Ｍｄｖ_ｘ／ｄｔ＝ｅｖ_ｙＢ＋ｅＥｘ
Ｍｄｖ_ｙ／ｄｔ＝−ｅｖ_ｘＢ
Ｍｄｖ_ｚ／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］［ｖ_ｘ＋ｉｖ_ｙ］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＝［ω_２−ω_１］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［ω_２−ω_１］^−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】
ω_１とω_２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＜ω_１＜ω_２ または Ω＞ω_２＞ω_１
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（ω_２−ω_１．ｖ）の帯域幅（ω_２−ω_１）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（ω_１）と第２の周波数（ω_２）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、ω_２−ω_１≧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（ω_１＜Ω＜ω_２）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、（ω_１）と（ω_２）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（ω_１）と（ω_２）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、（ω_１）と（ω_２）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（ω_１とω_２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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

Images