JP6869846B2 - Multiple reflection cell and isotope concentrator - Google Patents

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Description

本発明は、向かい合わせに配置された複数の凹面ミラーの間でレーザ光を複数回反射させて光反応を行う多重反射セル、及び、光反応により酸素同位体を濃縮する同位体濃縮装置に関する。 The present invention relates to a multiple reflection cell that reflects a laser beam a plurality of times between a plurality of concave mirrors arranged facing each other to perform a photoreaction, and an isotope concentrator that concentrates an oxygen isotope by a photoreaction.

近年、容器内のガスに特定の波長のレーザ光を照射し、特定のエネルギー準位間の光学遷移を誘起することで光反応を引き起こす技術が広く用いられている。例えば、特許文献1には、酸素原子の同位体である18Oを含むオゾン分子(16O16O18O)に特定の周波数(波長)のレーザ光を照射し、18Oを濃縮する技術が開示されている。 In recent years, a technique of irradiating a gas in a container with a laser beam of a specific wavelength to induce an optical transition between specific energy levels to induce a photoreaction has been widely used. For example, Patent Document 1 describes a technique for irradiating an ozone molecule ( 16 O 16 O 18 O) containing 18 O, which is an isotope of an oxygen atom, with a laser beam of a specific frequency (wavelength) to concentrate 18 O. It is disclosed.

このような光反応を引き起こす技術においては、レーザ光が光反応にどれだけ用いられたかを示す「光利用率」を高めることにより、投入エネルギーに対する成果を示す「エネルギー収率」が向上する。「光利用率」を高める代表的な方法として、レーザ光と反応対象ガスが接する経路の長光路化が挙げられる。
長光路化の方法としては、単純に反応が行われる容器の長さをレーザ光の照射方向に沿って直線上に延長することが挙げられるが、この場合、容器の大きさや、設置スペース等の観点から限度がある。そのため、複数枚の凹面ミラーを向い合せに設置し、当該凹面ミラー間にレーザ光を複数回反射させて長光路化を達成する方法が一般的に用いられている。そして、凹面ミラー間を所定回数反射したレーザ光は、レーザ透過窓を通して容器の外に導かれ、検出器で検出される。
In the technique of causing such a photoreaction, by increasing the "light utilization rate" indicating how much the laser beam is used in the photoreaction, the "energy yield" indicating the result with respect to the input energy is improved. A typical method for increasing the "light utilization rate" is to lengthen the path in which the laser beam and the gas to be reacted are in contact with each other.
As a method of lengthening the optical path, the length of the container in which the reaction is carried out is simply extended in a straight line along the irradiation direction of the laser beam. In this case, the size of the container, the installation space, etc. There is a limit from the viewpoint. Therefore, a method in which a plurality of concave mirrors are installed facing each other and the laser beam is reflected a plurality of times between the concave mirrors to achieve a long optical path is generally used. Then, the laser beam reflected between the concave mirrors a predetermined number of times is guided to the outside of the container through the laser transmission window and detected by the detector.

このように凹面ミラーを配置してレーザ光を複数回反射させる構造は、一般に、多重反射セル(又は多重反射容器)などと呼ばれる。特許文献2には、筐体に複数の凹面ミラーが配置され、該凹面ミラーの間で光ビームを多重反射させる試料セルが開示されている。
通常、凹面ミラー表面(反射面)においては入射したレーザ光の一部が拡散するため、凹面ミラーの反射面におけるレーザ光の反射点が光点となってカメラ等で観察することができる。そのため、多重反射セルにおいては凹面ミラーの反射面に複数の光点が観察され、これらの光点群をスポットパターンと呼ぶ。そして、このようなスポットパターンを確認することによって、凹面ミラー間においてレーザ光が所定の回数反射するように、凹面ミラーの位置及び向きの調整を行うことができる。
Such a structure in which the concave mirror is arranged to reflect the laser beam a plurality of times is generally called a multiple reflection cell (or multiple reflection container) or the like. Patent Document 2 discloses a sample cell in which a plurality of concave mirrors are arranged in a housing and multiple reflections of a light beam are performed between the concave mirrors.
Normally, a part of the incident laser light is diffused on the concave mirror surface (reflection surface), so that the reflection point of the laser light on the reflection surface of the concave mirror becomes a light point and can be observed by a camera or the like. Therefore, in the multiple reflection cell, a plurality of light spots are observed on the reflection surface of the concave mirror, and these light spot groups are called spot patterns. Then, by confirming such a spot pattern, the position and orientation of the concave mirror can be adjusted so that the laser beam is reflected between the concave mirrors a predetermined number of times.

特許第4364529号公報Japanese Patent No. 4364529 特開平8−35926号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-35926

一般的に、凹面ミラーによりレーザ光を反射させる場合、凹面ミラーの反射面に入射したレーザ光の一部のエネルギーはロスとなって反射されないことが知られている。このエネルギーロスの一部は凹面ミラーに吸収され熱に変換される。
多重反射セルに光反応対象物としてオゾンガス(注:オゾンの爆発下限界を緩和するために希ガス等の添加ガスを加えることが一般的であるが、説明のため『オゾンガス』と記載する)を供給し、凹面ミラー間で多重反射したレーザ光を用いてオゾン分子(例:16O16O18O)を光反応により分解して酸素同位体18Oの濃縮を行う場合、凹面ミラーの反射面に入射したレーザ光が熱に変換されると、この熱により凹面ミラーの反射面に接触したオゾンが熱分解されてしまう。
Generally, when the laser beam is reflected by the concave mirror, it is known that a part of the energy of the laser beam incident on the reflecting surface of the concave mirror is not reflected as a loss. Part of this energy loss is absorbed by the concave mirror and converted into heat.
Ozone gas (Note: It is common to add an additive gas such as a rare gas to alleviate the lower limit of ozone explosion, but it is described as "ozone gas" for explanation) as a photoreactive object in the multi-reflection cell. When supplying and decomposing ozone molecules (eg 16 O 16 O 18 O) by photoreaction using laser light multiple reflected between concave mirrors to concentrate oxygen isotope 18 O, the reflective surface of the concave mirror When the laser light incident on the surface is converted into heat, the ozone in contact with the reflecting surface of the concave mirror is thermally decomposed by this heat.

しかしながら、オゾンの熱分解は、18Oを含むオゾン分子だけでなく、18Oを含まない他のオゾン分子についても生じる非同位体選択的な反応である。このため、熱分解によって18O酸素同位体の濃縮は起こらず、容器内に供給されたオゾンガスの約99.8%の成分を占める16O16O16Oが熱分解して酸素分子16O16Oが大量に生成してしまう。
そして、オゾンの熱分解によって16O16Oが大量に生成すると、光反応により生成した18Oを含む酸素分子(例えば16O18O)が希釈されてしまい、酸素同位体18Oの濃縮を妨げる大きな原因となっていた。
However, thermal decomposition of ozone is a non-isotope-selective reaction that occurs not only for ozone molecules containing 18 O, but also for other ozone molecules that do not contain 18 O. Therefore, the concentration of 18 O oxygen isotopes does not occur due to thermal decomposition, and 16 O 16 O 16 O, which accounts for about 99.8% of the ozone gas supplied into the container, is thermally decomposed to produce oxygen molecules 16 O 16 O. It will be generated in large quantities.
When a large amount of 16 O 16 O is generated by thermal decomposition of ozone, oxygen molecules containing 18 O generated by the photoreaction (for example, 16 O 18 O) are diluted, which hinders the concentration of oxygen isotope 18 O. It was a major cause.

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、凹面ミラーの反射面での試料ガスの熱分解により、光反応により生成したガスが希釈されるのを防ぐことができる多重反射セル及び同位体濃縮装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and it is possible to prevent the gas generated by the photoreaction from being diluted by the thermal decomposition of the sample gas on the reflective surface of the concave mirror. It is an object of the present invention to provide a multi-reflection cell and an isotope concentrator.

(1)本発明に係る多重反射セルは、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有し、前記容器内にレーザ光を入射し、該入射したレーザ光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行うものであって、前記凹面ミラーの反射面付近にあるガスを吸い込んで前記容器外へと排気する吸込排気手段を備えたことを特徴とするものである。 (1) The multiple reflection cell according to the present invention has a container for receiving a sample gas to be subjected to a light reaction, and a plurality of concave mirrors housed inside the container and arranged to face each other. A laser beam is incident inside the container, and the incident laser beam is reflected between the concave mirrors a plurality of times to perform a photoreaction. The gas near the reflecting surface of the concave mirror is sucked in and the outside of the container. It is characterized by being provided with a suction / exhaust means for exhausting light.

(2)上記(1)に記載のものにおいて、前記吸込排気手段は、ガス吸込ノズルを有し、該ガス吸込ノズルは、その向きを変更可能に設けられていることを特徴とするものである。 (2) In the above description (1), the suction / exhaust means has a gas suction nozzle, and the gas suction nozzle is provided so that its direction can be changed. ..

(3)上記(1)又は(2)に記載のものにおいて、前記吸込排気手段により排気された前記ガスから前記試料ガスを分離して回収する分離回収手段を有し、該回収した試料ガスを前記容器に再度供給するようにしたことを特徴とするものである。 (3) In the above-mentioned (1) or (2), the sample gas is separated and recovered from the gas exhausted by the suction / exhaust means, and the recovered sample gas is used. It is characterized in that it is supplied to the container again.

(4)本発明に係る同位体濃縮装置は、上記(1)又は(2)に記載の多重反射セルと、オゾンを主成分とする原料ガスの供給を受けて、該原料ガスに含まれる酸素ガスを除去してオゾンガスを精製するオゾン精製手段を備え、該精製したオゾンガスを試料ガスとして前記容器に供給して光反応により酸素の同位体を濃縮するものであって、前記吸込排気手段により排気された前記ガスを前記オゾン精製手段に戻すようにしたことを特徴とするものである。 (4) The isotope concentrator according to the present invention receives the supply of the multiple reflection cell according to (1) or (2) above and a raw material gas containing ozone as a main component, and oxygen contained in the raw material gas. An ozone purification means for removing gas to purify ozone gas is provided, and the purified ozone gas is supplied to the container as a sample gas to concentrate oxygen isotopes by a photoreaction, and is exhausted by the suction / exhaust means. The gas is returned to the ozone refining means.

本発明においては、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有し、前記容器内にレーザ光を入射し、該入射したレーザ光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行うものであって、前記凹面ミラーの反射面付近にあるガスを吸い込んで前記容器外へと排気する吸込排気手段を備えたことにより、前記凹面ミラーの反射面における前記試料ガスの熱分解により発生する希釈物によって光反応により生成した生成物が希釈されるのを抑制することができる。 In the present invention, a container that receives a sample gas to be subjected to a light reaction and a plurality of concave mirrors that are housed inside the container and arranged to face each other are provided, and laser light is incident into the container. Then, the incident laser light is reflected between the concave mirrors a plurality of times to perform a light reaction, and the gas in the vicinity of the reflecting surface of the concave mirror is sucked in and exhausted to the outside of the container. It is possible to prevent the product produced by the photoreaction from being diluted by the diluent generated by the thermal decomposition of the sample gas on the reflecting surface of the concave mirror.

本実施の形態1に係る多重反射セルを説明する図である。It is a figure explaining the multiple reflection cell which concerns on embodiment 1. 本実施の形態1に係る多重反射セルにおいて、ガス吸込ノズルの設置位置を説明する図である。It is a figure explaining the installation position of the gas suction nozzle in the multiple reflection cell which concerns on Embodiment 1. 本実施の形態2に係る同位体濃縮装置を説明する図である。It is a figure explaining the isotope enrichment apparatus which concerns on this Embodiment 2. 本実施の形態2に係る同位体濃縮装置の具体的な構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the specific structure of the isotope concentrator which concerns on embodiment 2.

[実施の形態1]
本発明の実施の形態1に係る多重反射セル1は、図1に示すように、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器3と、容器3の内部に収容されて対向して配設した2枚の凹面ミラー5及び7を有し、容器3内にレーザ光を入射し、該入射したレーザ光を凹面ミラー5及び7の間で複数回反射させて光反応を行うものであって、凹面ミラー5の反射面5a及び凹面ミラー7の反射面7aの付近にあるガスを吸い込んで容器3外へと排気する吸込排気手段としてガス吸込ノズル9及び排気配管11を備えたものである。
[Embodiment 1]
As shown in FIG. 1, the multiple reflection cell 1 according to the first embodiment of the present invention is housed inside the container 3 and is arranged so as to face each other with a container 3 that receives a sample gas to be subjected to a light reaction. It has two concave mirrors 5 and 7 provided, and a laser beam is incident in the container 3, and the incident laser beam is reflected a plurality of times between the concave mirrors 5 and 7 to perform a photoreaction. A gas suction nozzle 9 and an exhaust pipe 11 are provided as suction / exhaust means for sucking gas in the vicinity of the reflective surface 5a of the concave mirror 5 and the reflective surface 7a of the concave mirror 7 and exhausting the gas to the outside of the container 3. ..

以下、多重反射セル1の各構成を詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示されている場合があるが、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, each configuration of the multiple reflection cell 1 will be described in detail. In the drawings used in the following description, in order to make the features easier to understand, the featured parts may be enlarged for convenience, but the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. Is not always.

<容器>
容器3は、筒状のものであり、内部に凹面ミラー5及び7を収容する。容器3には、レーザ光源13から出射したレーザ光が透過するレーザ透過窓15と、レーザ透過窓15を通して照射されたレーザ光を凹面ミラー7に向かって反射させるガイドミラー17が設けられている。
<Container>
The container 3 has a tubular shape and houses the concave mirrors 5 and 7 inside. The container 3 is provided with a laser transmission window 15 through which the laser light emitted from the laser light source 13 is transmitted, and a guide mirror 17 for reflecting the laser light emitted through the laser transmission window 15 toward the concave mirror 7.

容器3内において所定の回数反射したレーザ光は、ガイドミラー17に再び入射して反射した後、レーザ透過窓15を通して容器3外へと出射する。図1に示す多重反射セル1においては、容器3から出射したレーザ光を検出する検出器19が設置されている。 The laser beam reflected a predetermined number of times in the container 3 is incident on the guide mirror 17 again, reflected, and then emitted to the outside of the container 3 through the laser transmission window 15. In the multiple reflection cell 1 shown in FIG. 1, a detector 19 for detecting the laser beam emitted from the container 3 is installed.

さらに、容器3には、ガス導入管21及びガス導出管23がそれぞれ接続し、光反応に供される試料ガスはガス導入管21を経て容器3内に導入され、光反応した後の試料ガスはガス導出管23を経て容器3外に導出される。 Further, a gas introduction pipe 21 and a gas outlet pipe 23 are connected to the container 3, respectively, and the sample gas to be subjected to the photoreaction is introduced into the container 3 via the gas introduction pipe 21 and the sample gas after the photoreaction is performed. Is led out of the container 3 via the gas outlet pipe 23.

本実施の形態1において、容器3には、外径300mm、厚さ4mm、長さ1000mmのSUS304製の鋼管を用いているが、容器3のサイズ及び材質はこれに限定されることではなく、任意に選択することができる。
また、レーザ透過窓15には直径34mm、厚さ2mmのコバール製を、ガイドミラー17には直径5mm、反射角度45度の合成石英製を用いているが、レーザ透過窓15およびガイドミラー17のサイズや材質はこれらに限定されるものではなく、任意に選択することができる。
In the first embodiment, a steel pipe made of SUS304 having an outer diameter of 300 mm, a thickness of 4 mm, and a length of 1000 mm is used for the container 3, but the size and material of the container 3 are not limited to this. It can be selected arbitrarily.
The laser transmission window 15 is made of Koval with a diameter of 34 mm and a thickness of 2 mm, and the guide mirror 17 is made of synthetic quartz with a diameter of 5 mm and a reflection angle of 45 degrees. The size and material are not limited to these, and can be arbitrarily selected.

<凹面ミラー>
凹面ミラー5及び7は、凹形状の反射面5a及び7aをそれぞれ有し、入射したレーザ光を反射面5a及び7aにおいて複数回反射させるため、凹面ミラー5と凹面ミラー7が向かい合わせに対向して設けられている。
<Concave mirror>
The concave mirrors 5 and 7 have concave reflecting surfaces 5a and 7a, respectively, and in order to reflect the incident laser light on the reflecting surfaces 5a and 7a a plurality of times, the concave mirror 5 and the concave mirror 7 face each other. Is provided.

本実施の形態1において、凹面ミラー5及び7は、直径200mm、厚さ23mmの合成石英製のものを用い、凹面ミラー5と凹面ミラー7との間の凹面ミラー間距離は760mmとした。また、凹面ミラー5及び7の反射率は99%である。 In the first embodiment, the concave mirrors 5 and 7 are made of synthetic quartz having a diameter of 200 mm and a thickness of 23 mm, and the distance between the concave mirrors 5 and the concave mirror 7 is 760 mm. The reflectance of the concave mirrors 5 and 7 is 99%.

なお、凹面ミラー5及び7は、球面ミラーに限らず、多重反射を構成するミラーであれば形状を制限するものではなく、シリンドリカルミラーや平板ミラーなどであってもよい。さらに、凹面ミラー5及び7の直径、厚さや凹面ミラー間距離についても上記に限定されるものではなく、任意の形状(直径、厚さ等)と距離を選択することができる。 The concave mirrors 5 and 7 are not limited to spherical mirrors, and are not limited in shape as long as they are mirrors that form multiple reflections, and may be cylindrical mirrors, flat plate mirrors, or the like. Further, the diameters and thicknesses of the concave mirrors 5 and 7 and the distance between the concave mirrors are not limited to the above, and any shape (diameter, thickness, etc.) and distance can be selected.

<ミラー固定部材>
ミラー固定部材25は、凹面ミラー5及び7の背面側を保持し、容器3に固定するものである。凹面ミラー5及び7は、ミラー固定部材25により位置(凹面ミラー間距離)及び向き(あおり方向、首振り方向)が固定された状態で容器3の内部に設置される。
ミラー固定部材25は、図1に示すように、凹面ミラー5及び7それぞれの位置及び向きを厳密に調節するミラー調節機構27が接続されているものであることが好ましい。この場合、凹面ミラー5及び7それぞれの位置(ミラー間方向、鉛直方向)及び向き(あおり方向及び首振り方向)がミラー調節機構27により調節される。
<Mirror fixing member>
The mirror fixing member 25 holds the back side of the concave mirrors 5 and 7 and fixes them to the container 3. The concave mirrors 5 and 7 are installed inside the container 3 in a state where the position (distance between the concave mirrors) and the direction (tilt direction, swing direction) are fixed by the mirror fixing member 25.
As shown in FIG. 1, the mirror fixing member 25 is preferably connected to a mirror adjusting mechanism 27 that strictly adjusts the positions and orientations of the concave mirrors 5 and 7, respectively. In this case, the positions (inter-mirror direction, vertical direction) and orientation (tilt direction and swing direction) of the concave mirrors 5 and 7 are adjusted by the mirror adjusting mechanism 27.

<ガス吸込ノズル>
ガス吸込ノズル9は、凹面ミラー5および7の反射面5aおよび7a付近にあるガスを吸い込むものであり、図1に示すように、凹面ミラー5および7の反射面5aおよび7a側に設置され、排気配管11が接続されている。
ここで、反射面5aおよび7a付近にあるガスとは、容器3に供給された試料ガスと、該試料ガスの光反応により生成した生成ガスと、試料ガスが反射面5a及び7aに接触して主に熱分解反応により熱分解した熱分解ガスとを含むものである。
<Gas suction nozzle>
The gas suction nozzle 9 sucks gas in the vicinity of the reflective surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7, and is installed on the reflective surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7 as shown in FIG. The exhaust pipe 11 is connected.
Here, the gases near the reflecting surfaces 5a and 7a are the sample gas supplied to the container 3, the generated gas generated by the photoreaction of the sample gas, and the sample gas in contact with the reflecting surfaces 5a and 7a. It mainly contains a pyrolyzed gas that has been thermally decomposed by a pyrolysis reaction.

ガス吸込ノズル9は、反射面5a及び7a付近にあるガスを効率よく吸い込むことができるように、その向きを適宜調節して変更可能に設置することが望ましい。 It is desirable that the gas suction nozzle 9 is installed so that its orientation can be appropriately adjusted and changed so that the gas in the vicinity of the reflecting surfaces 5a and 7a can be efficiently sucked.

図2に、ガス吸込ノズル9を反射面5a付近に設置した一例を示す。図2において、ガス吸込ノズル9は、反射面5aの上下左右の4方向に配置されており、ガス吸込ノズル9の吸込口は、凹面ミラー5の中心軸方向に向けられている。
図2に例示するように、複数のガス吸込ノズル9を設置する場合、反射面5a付近のガスの吸込量に片寄りが生じないように、反射面5aの中心に対して点対称となるようにガス吸込ノズル9が設置されていることが望ましい。もっとも、ガスの吸込量をガス吸込ノズル9毎に個別に調整できる場合は、この限りではない。
FIG. 2 shows an example in which the gas suction nozzle 9 is installed near the reflection surface 5a. In FIG. 2, the gas suction nozzles 9 are arranged in four directions of up, down, left, and right of the reflection surface 5a, and the suction ports of the gas suction nozzles 9 are directed in the direction of the central axis of the concave mirror 5.
As illustrated in FIG. 2, when a plurality of gas suction nozzles 9 are installed, they are point-symmetrical with respect to the center of the reflection surface 5a so that the amount of gas sucked in the vicinity of the reflection surface 5a is not biased. It is desirable that the gas suction nozzle 9 is installed in the. However, this does not apply if the gas suction amount can be adjusted individually for each gas suction nozzle 9.

<排気配管>
排気配管11は、ガス吸込ノズル9により吸い込んだ反射面5a及び7a付近のガスを容器3外に排気するものである。
本実施の形態1において、排気配管11には、SUS304製のステンレス配管を用いたが、材質はこれに限定されるものではなく、試料ガスや光反応により生成した生成ガスに反応しない材質であれば、任意の材質を選択することができる。また、排気配管11の途中に、排気ガスの流量を制御するための調整弁(図示なし)が設けられていてもよい。
<Exhaust piping>
The exhaust pipe 11 exhausts the gas in the vicinity of the reflective surfaces 5a and 7a sucked by the gas suction nozzle 9 to the outside of the container 3.
In the first embodiment, a stainless steel pipe made of SUS304 is used for the exhaust pipe 11, but the material is not limited to this, and any material that does not react with the sample gas or the generated gas generated by the photoreaction may be used. For example, any material can be selected. Further, an adjusting valve (not shown) for controlling the flow rate of the exhaust gas may be provided in the middle of the exhaust pipe 11.

次に、本発明に係る多重反射セルを用いたレーザ光反応方法について、図1に示す多重反射セル1を用い、オゾンを原料ガスとして酸素同位体18Oを光反応により濃縮する場合を例として、以下に説明する。 Next, regarding the laser light reaction method using the multiple reflection cell according to the present invention, as an example, the case where the oxygen isotope 18 O is concentrated by a photoreaction using ozone as a raw material gas using the multiple reflection cell 1 shown in FIG. 1 is taken as an example. , Will be described below.

まず、容器3の外部にレーザ光源13を設置する。本実施の形態1では、レーザ光源13として半導体レーザを用いた。ここで、レーザ光の強度は0.3Wとし、レーザ光の波長はオゾン中の同位体成分である16O16O18Oのみを分解する992nmとした。 First, the laser light source 13 is installed outside the container 3. In the first embodiment, a semiconductor laser is used as the laser light source 13. Here, the intensity of the laser beam was set to 0.3 W, and the wavelength of the laser beam was set to 992 nm, which decomposes only the isotope component 16 O 16 O 18 O in ozone.

次に、ミラー調節機構27が接続されているミラー固定部材25により、凹面ミラー5の反射面5aと凹面ミラー7の反射面7aとが対向するように、容器3内に固定する。
そして、凹面ミラー5および7の位置及び向きをミラー調節機構27により厳密に調節する。ここでは、凹面ミラー間距離を760mmに設定し、この時の凹面ミラー5及び7の間におけるレーザ光の反射回数は約160回である。
Next, the mirror fixing member 25 to which the mirror adjusting mechanism 27 is connected fixes the reflective surface 5a of the concave mirror 5 and the reflective surface 7a of the concave mirror 7 in the container 3 so as to face each other.
Then, the positions and orientations of the concave mirrors 5 and 7 are strictly adjusted by the mirror adjusting mechanism 27. Here, the distance between the concave mirrors is set to 760 mm, and the number of times the laser beam is reflected between the concave mirrors 5 and 7 at this time is about 160 times.

そして、レーザ光源13からレーザ光を出射し、レーザ透過窓15を通して容器3の内部に導入する。容器3内に導入されたレーザ光は、ガイドミラー17により凹面ミラー7側に反射される。そして、凹面ミラー5及び7の間を所定回数(=約160回)反射したレーザ光は、再びガイドミラー17に入射してレーザ透過窓15に向かって反射し、レーザ透過窓15を通して容器3外へと出射する。 Then, the laser light is emitted from the laser light source 13 and introduced into the container 3 through the laser transmission window 15. The laser beam introduced into the container 3 is reflected by the guide mirror 17 toward the concave mirror 7. Then, the laser light reflected between the concave mirrors 5 and 7 a predetermined number of times (= about 160 times) is again incident on the guide mirror 17 and reflected toward the laser transmission window 15, and is passed through the laser transmission window 15 to the outside of the container 3. It emits to.

凹面ミラー5及び7の間におけるレーザ光の反射回数は、凹面ミラー7の反射面7aに照射されたレーザ光のスポットパターンを図示しないカメラ等で撮影することにより計測することができる。 The number of times the laser beam is reflected between the concave mirrors 5 and 7 can be measured by photographing the spot pattern of the laser beam irradiated on the reflective surface 7a of the concave mirror 7 with a camera or the like (not shown).

撮影したスポットパターンにより凹面ミラー5及び7の位置及び向きが調節されていることを確認した後、レーザ光源13からのレーザ光の出射を停止する。そして、図示しない真空ポンプにより、ガス導出管23を経て容器3内を真空引きした後、光反応の原料ガスであるオゾンをガス導入管21から容器3内に導入する。 After confirming that the positions and orientations of the concave mirrors 5 and 7 are adjusted by the photographed spot pattern, the emission of the laser light from the laser light source 13 is stopped. Then, after the inside of the container 3 is evacuated through the gas outlet pipe 23 by a vacuum pump (not shown), ozone, which is a raw material gas for photoreaction, is introduced into the container 3 from the gas introduction pipe 21.

同時に、ガス吸込ノズル9から反射面5a及び7a付近のガスを吸い込み、排気配管11を経て排気する。ここで、吸込口の形状が□3×200mmであるガス吸込ノズル9を凹面ミラー5及び7それぞれの上下に設置し、反射面5a及び7a付近のガスを均一に排気できるようにした。 At the same time, the gas in the vicinity of the reflecting surfaces 5a and 7a is sucked from the gas suction nozzle 9 and exhausted through the exhaust pipe 11. Here, gas suction nozzles 9 having a suction port shape of □ 3 × 200 mm were installed above and below each of the concave mirrors 5 and 7, so that the gas in the vicinity of the reflective surfaces 5a and 7a could be uniformly exhausted.

最後に、レーザ光源13からレーザ光を出射し、レーザ透過窓15を通してレーザ光を容器3に導入することで、オゾンの光反応を行う。 Finally, the laser light is emitted from the laser light source 13, and the laser light is introduced into the container 3 through the laser transmission window 15 to carry out a photoreaction of ozone.

このとき、凹面ミラー5の反射面5a及び凹面ミラー7の反射面7a付近のガスがガス吸込ノズル9と排気配管11により容器3外へ排気されることにより、反射面5a及び7a表面でのオゾンの熱分解により生成する熱分解ガスである酸素分子が、光反応により生成した生成ガスである酸素同位体18Oを希釈することを防ぎ、酸素同位体18Oの濃縮度を上げることができる。 At this time, the gas near the reflective surface 5a of the concave mirror 5 and the reflective surface 7a of the concave mirror 7 is exhausted to the outside of the container 3 by the gas suction nozzle 9 and the exhaust pipe 11, so that ozone on the surfaces of the reflective surfaces 5a and 7a It is possible to prevent the oxygen molecule, which is a thermally decomposed gas produced by the thermal decomposition of, from diluting the oxygen isotope 18 O, which is a produced gas produced by the photoreaction, and to increase the enrichment of the oxygen isotope 18 O.

ここで、酸素同位体18Oの濃縮度は、以下のように推算することができる。
酸素原子の同位体である18Oを含むオゾン分子(16O16O18O)に特定の周波数のレーザ光を照射したときの18Oの濃縮は、以下の反応機構に従うことが知られている(特許文献2参照)。
Here, the enrichment of the oxygen isotope 18 O can be estimated as follows.
It is known that the concentration of 18 O when an ozone molecule ( 16 O 16 O 18 O) containing 18 O, which is an isotope of an oxygen atom, is irradiated with a laser beam of a specific frequency follows the following reaction mechanism. (See Patent Document 2).

まず、18Oを含むオゾン分子O3(例えば16O16O18O)にレーザ光が照射されると、式(1)のように、1個の酸素分子と1個の酸素原子に解離する。
O3+ 「レーザ光照射」 → O2 + O ・・・・・(1)
式(1)の反応で生成された酸素原子Oはエネルギーを得ているため、式(2)のように、周りに存在するオゾン分子O3をいくつか分解する。
O + nO3 → 0.5(1+3n)O2 ・・・・・(2)
First, when an ozone molecule O 3 containing 18 O (for example, 16 O 16 O 18 O) is irradiated with laser light, it dissociates into one oxygen molecule and one oxygen atom as shown in equation (1). ..
O 3 + "Laser light irradiation" → O 2 + O ・ ・ ・ ・ ・ (1)
Since the oxygen atom O generated by the reaction of the formula (1) obtains energy, it decomposes some ozone molecules O 3 existing around it as shown in the formula (2).
O + nO 3 → 0.5 (1 + 3n) O 2・ ・ ・ ・ ・ (2)

式(2)において、nは巻き込み係数と呼ばれる。仮にn=5であった場合、レーザ光照射により1個のオゾン分子が分解されると、式(2)により5個のオゾン分子が分解されるため、式(1)と式(2)の反応により計6個のオゾン分子(18Oの自然存在割合は約0.2%であることから、ほぼすべてが16O16O16O)が分解され、9個の酸素分子O2が生成する。
このとき、生成した9個の酸素分子に含まれる18O濃度は、約5.6%となり、18Oの自然存在割合(=約0.2%)との比較より、約28倍の濃縮効果に相当する。
In equation (2), n is called the entrainment coefficient. If n = 5, when one ozone molecule is decomposed by laser light irradiation, five ozone molecules are decomposed by the formula (2), so that the formulas (1) and (2) The reaction decomposes a total of 6 ozone molecules ( almost all 16 O 16 O 16 O because the natural abundance ratio of 18 O is about 0.2%), and 9 oxygen molecules O 2 are generated.
At this time, the concentration of 18 O contained in the generated 9 oxygen molecules is about 5.6%, which corresponds to a concentration effect of about 28 times that of the natural existence ratio of 18 O (= about 0.2%).

次に、レーザ光によるオゾン分子の分解量を試算する。
本発明の実施の形態に係る多重反射セル1を用いた酸素同位体18Oの濃縮において、容器3内のオゾンの圧力を-60kPaG、温度を-60℃、レーザ光のエネルギーを0.3W、波長を992nm、18Oの自然存在割合0.2%とし、これらの条件からレーザ光によるオゾン分子の分解量を試算すると、8.48×10-9 [mol/sec]となる。ここで、凹面ミラー間距離は760mmである。
Next, the amount of ozone molecules decomposed by the laser beam is calculated.
In the concentration of oxygen isotope 18 O using the multiple reflection cell 1 according to the embodiment of the present invention, the ozone pressure in the container 3 is -60 kPaG, the temperature is -60 ° C, the laser light energy is 0.3 W, and the wavelength. Is 992 nm and the natural abundance ratio of 18 O is 0.2%, and the amount of ozone molecule decomposition by laser light is calculated from these conditions to be 8.48 × 10 -9 [mol / sec]. Here, the distance between the concave mirrors is 760 mm.

式(2)における巻き込み係数がn=5であった場合、酸素分子O2の製造量は、
8.48×10-9×9=7.63×10-8 [mol/sec] ・・・・・(3)
となる。
When the entrainment coefficient in the formula (2) is n = 5, the amount of oxygen molecule O 2 produced is
8.48 × 10 -9 × 9 = 7.63 × 10 -8 [mol / sec] ・ ・ ・ ・ ・ (3)
Will be.

一方、比較対象として、凹面ミラーの反射面付近のガスを排気しない従来の多重反射セルによる酸素同位体18Oの濃縮効果を算出した。
凹面ミラーの反射率が99%である場合、1回目の反射で0.3Wのレーザ光のうち、
0.3×0.99=0.297 [W] ・・・・・(4)
が反射され、
0.3−0.297=0.003 [W] ・・・・・(5)
が、凹面ミラーでのロスとなる。
よって、凹面ミラー間で160回の反射が生じた場合におけるロスの総和は、
0.3×(1−0.99160)=0.24 [W] ・・・・・(6)
となる。このロスの総和のうち、約25%が凹面ミラーの反射面において熱に変換される。
熱によりオゾン分子を分解するのに必要なエネルギーは101kJ/molであることから、凹面ミラーの反射面において熱分解するオゾンの量は、
0.24×0.25/(101×103)=5.94×10-7 [mol/sec] ・・・・・(7)
となる。
On the other hand, as a comparison target, the effect of concentrating oxygen isotope 18 O by a conventional multiple reflection cell that does not exhaust gas near the reflection surface of the concave mirror was calculated.
When the reflectance of the concave mirror is 99%, out of the 0.3 W laser beam in the first reflection,
0.3 x 0.99 = 0.297 [W] ・ ・ ・ ・ ・ (4)
Is reflected,
0.3-0.297 = 0.003 [W] ・ ・ ・ ・ ・ (5)
However, it becomes a loss in the concave mirror.
Therefore, the total loss when 160 reflections occur between the concave mirrors is
0.3 x (1-0.99 160 ) = 0.24 [W] ・ ・ ・ ・ ・ (6)
Will be. About 25% of this total loss is converted to heat on the reflective surface of the concave mirror.
Since the energy required to decompose ozone molecules by heat is 101 kJ / mol, the amount of ozone that is thermally decomposed on the reflective surface of the concave mirror is
0.24 x 0.25 / (101 x 10 3 ) = 5.94 x 10 -7 [mol / sec] ・ ・ ・ ・ ・ (7)
Will be.

さらに、オゾンの熱分解により製造される酸素分子O2の製造量を求めると、熱分解反応においてはオゾン分子1個から酸素分子は1.5個製造されることから、
5.97×10-7×1.5=8.96×10-7 [mol/sec] ・・・・・(8)
となる。
Furthermore, when the amount of oxygen molecule O 2 produced by the thermal decomposition of ozone is determined, 1.5 oxygen molecules are produced from one ozone molecule in the thermal decomposition reaction.
5.97 × 10 -7 × 1.5 = 8.96 × 10 -7 [mol / sec] ・ ・ ・ ・ ・ (8)
Will be.

よって、従来の多重反射セルを用いた場合における18O濃度は、
(0.002×8.96×10-7+0.056×7.63×10-8)/(8.96×10-7+7.63×10-8)=0.0062=0.62% ・・・(9)
となる。
Therefore, the 18 O concentration when using a conventional multiple reflection cell is
(0.002 x 8.96 x 10 -7 + 0.056 x 7.63 x 10 -8 ) / (8.96 x 10 -7 + 7.63 x 10 -8 ) = 0.0062 = 0.62% ・ ・ ・ (9)
Will be.

これは、18Oの自然存在割合である約0.2%と比較すると、約3倍の濃縮効果となる。
つまり、実施の形態1に係る多重反射セル1を用いてオゾンを光反応させて酸素同位体18Oを濃縮する場合、凹面ミラー5及び7の反射面5a及び7a付近のガスを排気し、熱分解反応により生成した酸素分子による希釈を防止することにより、従来の多重反射容器を用いた場合と比較すると、5.6%/0.62%=約9倍の18Oの濃縮効果が得られることが示唆される。
This is about three times the concentration effect compared to the natural abundance ratio of 18 O, which is about 0.2%.
That is, when the oxygen isotope 18 O is concentrated by photoreacting ozone with the multiple reflection cell 1 according to the first embodiment, the gas near the reflection surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7 is exhausted and heat is generated. It is suggested that by preventing dilution by oxygen molecules generated by the decomposition reaction, a concentration effect of 18 O of 5.6% / 0.62% = about 9 times can be obtained as compared with the case of using a conventional multiple reflection vessel. To.

なお、本発明に係る多重反射セルは、光反応により生成された同位体濃縮酸素ガスが、反射面での熱分解により発生した酸素ガスにより希釈されることを防ぐために、反射面付近のガスを吸い込んで排気するものであるが、反射面での熱分解により発生する同位体希釈酸素ガスの90%以上を排気するためには、排気流量は、容器に流入するオゾンの流量の1/20以上であることが望ましく、これよりも小さいと、同位体希釈酸素ガスと同位体濃縮酸素ガスとの混合が進んでしまう。 In the multiple reflection cell according to the present invention, in order to prevent the isotope concentrated oxygen gas generated by the photoreaction from being diluted by the oxygen gas generated by the thermal decomposition on the reflection surface, the gas near the reflection surface is used. Although it is sucked in and exhausted, in order to exhaust 90% or more of the isotope-diluted oxygen gas generated by thermal decomposition on the reflective surface, the exhaust flow rate is 1/20 or more of the flow rate of ozone flowing into the container. If it is smaller than this, the mixture of the isotope-diluted oxygen gas and the isotope-concentrated oxygen gas will proceed.

さらに、本発明に係る多重反射セルは、吸込排気手段により排気されたガスを、別途設けた分離回収手段へ供給し、該分離回収手段により、排気されたガスから試料ガスを分離して回収し、該回収した試料ガスを容器に再度供給するようにしてもよい。
なお、分離回収手段としては、蒸留塔を使用することができる。
Further, the multiple reflection cell according to the present invention supplies the gas exhausted by the suction / exhaust means to a separately provided separation / recovery means, and the separation / recovery means separates and recovers the sample gas from the exhausted gas. , The recovered sample gas may be supplied to the container again.
A distillation column can be used as the separation / recovery means.

また、上記の説明において、吸込排気手段は、ガス吸込ノズル9と排気配管11からなるものであったが、吸込排気手段は、ガス吸込ノズル9を備えていなくてもよく、この場合には、排気配管11の端部が凹面ミラー5及び7の反射面5a及び7aの付近に位置するように設置し、排気配管11の端部からガスを吸い込んで排気するようにすればよい。 Further, in the above description, the suction / exhaust means includes the gas suction nozzle 9 and the exhaust pipe 11, but the suction / exhaust means does not have to include the gas suction nozzle 9, and in this case, the gas suction nozzle 9 may not be provided. The end of the exhaust pipe 11 may be installed so as to be located near the reflective surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7, and gas may be sucked in and exhausted from the end of the exhaust pipe 11.

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2に係る同位体濃縮装置について説明する。
本実施の形態2に係る同位体濃縮装置31は、図3に示すように、実施の形態1に係る多重反射セル1と、オゾンを主成分とする原料ガスを供給する原料ガス供給手段33と、原料ガス供給手段33から原料ガスの供給を受けて該原料ガスに含まれる不純物(酸素ガスなど)を除去してオゾンを精製するオゾン精製手段35を備え、該精製したオゾンを試料ガスとして容器3に供給して光反応により酸素同位体18Oを濃縮するものであって、排気配管11により排気された反射面5a及び7a付近のガスを、吸引手段37を用いてオゾン精製手段35に戻すようにしたものである。さらに、同位体濃縮装置31は、多重反射セル1で濃縮された酸素同位体18Oを分離する分離手段39を備えている。
[Embodiment 2]
Next, the isotope concentrator according to the second embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 3, the isotope concentrator 31 according to the second embodiment includes the multiple reflection cell 1 according to the first embodiment and the raw material gas supply means 33 for supplying the raw material gas containing ozone as a main component. The ozone purification means 35 is provided for purifying ozone by receiving the supply of the raw material gas from the raw material gas supply means 33 and removing impurities (oxygen gas, etc.) contained in the raw material gas, and the purified ozone is used as a sample gas in a container. The gas is supplied to No. 3 to concentrate the oxygen isotope 18 O by a photoreaction, and the gas in the vicinity of the reflecting surfaces 5a and 7a exhausted by the exhaust pipe 11 is returned to the ozone purification means 35 by using the suction means 37. It is something like that. Further, the isotope concentrator 31 includes a separation means 39 for separating the oxygen isotope 18 O concentrated in the multiple reflection cell 1.

同位体濃縮装置31の具体的な全体構成としては、図4に示す同位体濃縮装置41が例示できる。
同位体濃縮装置41は、原料ガス供給手段33(図3)としてオゾナイザ43と、オゾン精製手段35(図3)として第1蒸留塔45と、吸引手段37(図3)として熱交換器47及びポンプ49と、分離手段39(図3)として第2蒸留塔51を備えてなるものである。以下、同位体濃縮装置41の各構成と、同位体濃縮装置41を用いてオゾンを原料ガスとして酸素同位体18Oが濃縮した酸素ガス(以下、「同位体濃縮酸素ガス」という)を製造する場合について説明する。ただし、多重反射セル1については、前述の実施の形態1と同様であるため、ここではその説明を省略する。
As a specific overall configuration of the isotope concentrator 31, the isotope concentrator 41 shown in FIG. 4 can be exemplified.
The isotope concentrator 41 includes an ozonizer 43 as a raw material gas supply means 33 (FIG. 3), a first distillation column 45 as an ozone purification means 35 (FIG. 3), and a heat exchanger 47 as a suction means 37 (FIG. 3). It is provided with a pump 49 and a second distillation column 51 as a separation means 39 (FIG. 3). Hereinafter, each configuration of the isotope concentrator 41 and an oxygen gas enriched with oxygen isotope 18 O using ozone as a raw material gas (hereinafter, referred to as “isotope enriched oxygen gas”) will be produced using the isotope concentrator 41. The case will be described. However, since the multiple reflection cell 1 is the same as that of the first embodiment described above, the description thereof will be omitted here.

オゾナイザ43は、原料酸素ガスGOの供給を受けてオゾンを発生させるものであり、オゾナイザ43に供給された原料酸素ガスGOはオゾンに転化され、第1蒸留塔45に送られる。 The ozonizer 43 generates ozone by receiving the supply of the raw material oxygen gas GO, and the raw material oxygen gas GO supplied to the ozonizer 43 is converted into ozone and sent to the first distillation column 45.

第1蒸留塔45は、オゾナイザ43で発生したオゾンとオゾンに転化せず残留した酸素ガスとを分離するものであり、第1蒸留塔45の上昇ガスを凝縮して還流液を得るための第1コンデンサ53と、塔底部にたまった液を加熱して上昇ガスを得るための第1リボイラ55とにより、原料ガスの蒸留操作を行う。 The first distillation column 45 separates ozone generated by the ozonizer 43 from oxygen gas remaining without being converted to ozone, and is used to condense the rising gas of the first distillation column 45 to obtain a reflux liquid. The distillation operation of the raw material gas is performed by the 1 condenser 53 and the first reboiler 55 for heating the liquid accumulated at the bottom of the column to obtain an ascending gas.

この蒸留操作により、第1蒸留塔45の塔頂側に低沸点成分である酸素ガスが、塔底側に高沸点成分であるオゾンが濃縮し、原料ガスからオゾンが分離されて精製される。 By this distillation operation, oxygen gas, which is a low boiling point component, is concentrated on the top side of the first distillation column 45, and ozone, which is a high boiling point component, is concentrated on the bottom side of the column, and ozone is separated from the raw material gas for purification.

精製したオゾンは、光反応を行う多重反射セル1に試料ガスとして導入される。また、塔頂部側に分離した酸素ガスは、圧縮機57によりオゾナイザ43に供給され、原料酸素ガスGOとともに再度オゾンに転化される。 The purified ozone is introduced as a sample gas into the multiple reflection cell 1 that undergoes a photoreaction. Further, the oxygen gas separated on the top side of the tower is supplied to the ozonizer 43 by the compressor 57, and is converted into ozone again together with the raw oxygen gas GO.

多重反射セル1に導入されたオゾンは、凹面ミラー5及び7の間で形成されるレーザ多重反射光路において、前述の式(1)の反応により同位体濃縮酸素ガスが生成する。
一方、凹面ミラー5及び7の反射面5a及び7aの表面ではオゾンの熱分解により、非同位体選択的に酸素ガス(以下、「同位体希釈酸素ガス」という)が生成し、熱分解反応前後での酸素同位体濃度には変化がない。そのため、同位体希釈酸素ガスが光反応により生成した同位体濃縮酸素ガスと混合すると、同位体濃縮酸素ガスが希釈されて18O濃度を低下させてしまう。
The ozone introduced into the multiple reflection cell 1 produces isotope-concentrated oxygen gas by the reaction of the above formula (1) in the laser multiple reflection optical path formed between the concave mirrors 5 and 7.
On the other hand, on the surfaces of the reflective surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7, oxygen gas (hereinafter referred to as "isotope-diluted oxygen gas") is non-isotopically selectively generated by the thermal decomposition of ozone, and before and after the thermal decomposition reaction. There is no change in the oxygen isotope concentration in. Therefore, when the isotope-diluted oxygen gas is mixed with the isotope-concentrated oxygen gas generated by the photoreaction, the isotope-concentrated oxygen gas is diluted and the 18 O concentration is lowered.

これを防ぐため、ガス吸込ノズル9により反射面5a及び7a近傍のガスを吸い込み、排気配管11を経て排気させる。排気流量は、流量計59の指示値を確認しながら、バルブ61で調整する。同位体希釈酸素ガスの90%以上を排気するためには、排気流量は容器3に流入する試料ガス(オゾン)の流量の1/20以上であることが望ましい。排気流量がこれよりも小さいと、同位体希釈酸素ガスと同位体濃縮酸素ガスとの混合が進んでしまう。 In order to prevent this, the gas suction nozzle 9 sucks in the gas in the vicinity of the reflecting surfaces 5a and 7a and exhausts the gas through the exhaust pipe 11. The exhaust flow rate is adjusted by the valve 61 while checking the indicated value of the flow meter 59. In order to exhaust 90% or more of the isotope-diluted oxygen gas, it is desirable that the exhaust flow rate is 1/20 or more of the flow rate of the sample gas (ozone) flowing into the container 3. If the exhaust flow rate is smaller than this, the isotope-diluted oxygen gas and the isotope-concentrated oxygen gas are mixed.

ガス吸込ノズル9及び排気配管11により吸い込まれて排気された反射面5a及び7a付近のガスは、液体窒素などの低温流体を冷媒とする熱交換器47に引き込まれて凝縮され、その凝縮液はポンプ49により第1蒸留塔45に送液される。そして、第1蒸留塔45において、排気されたガスに含まれるオゾンが塔底部側に、前記ガスに含まれる酸素ガスが塔頂部側に分離される。そして、塔底部側に分離されたオゾンは、原料ガスから精製したオゾンとともに多重反射セル1に導入される。これに対し、塔頂部側に分離された酸素ガスは圧縮機57によりオゾナイザに送られて再び原料酸素ガスGOとして利用される。 The gas near the reflective surfaces 5a and 7a sucked and exhausted by the gas suction nozzle 9 and the exhaust pipe 11 is drawn into the heat exchanger 47 using a low temperature fluid such as liquid nitrogen as a refrigerant and condensed, and the condensed liquid is condensed. The liquid is sent to the first distillation column 45 by the pump 49. Then, in the first distillation column 45, ozone contained in the exhausted gas is separated on the bottom side of the column, and oxygen gas contained in the gas is separated on the top side of the column. Then, the ozone separated on the bottom side of the tower is introduced into the multiple reflection cell 1 together with the ozone purified from the raw material gas. On the other hand, the oxygen gas separated on the top side of the tower is sent to the ozonizer by the compressor 57 and used again as the raw material oxygen gas GO.

さらに、多重反射セル1での光反応により得られた同位体濃縮酸素ガスは、第2蒸留塔51に送られる。
第2蒸留塔51においては、還流液を得るための第2コンデンサ63と、上昇ガスを得るための第2リボイラ65とによる蒸留操作により、残留オゾンOzが塔底部側に分離され、同位体濃縮酸素ガスが塔頂部側に分離して製品酸素ガスが得られる。
Further, the isotope-concentrated oxygen gas obtained by the photoreaction in the multiple reflection cell 1 is sent to the second distillation column 51.
In the second distillation column 51, residual ozone Oz is separated to the bottom side of the column by a distillation operation by a second condenser 63 for obtaining a reflux liquid and a second reboiler 65 for obtaining an ascending gas, and isotope concentration. The oxygen gas is separated on the top side of the column to obtain the product oxygen gas.

以上、本実施の形態2に係る同位体濃縮装置41によれば、多重反射セル1内で非同位体選択的に生成した同位体希釈酸素ガスを排気することで、同位体濃縮酸素ガスの希釈を防いで製品として取り出すことができる。さらに、排気したガスに含まれるオゾンを回収して再利用することができる。 As described above, according to the isotope concentrator 41 according to the second embodiment, the isotope-diluted oxygen gas is diluted by exhausting the isotope-diluted oxygen gas selectively generated in the multiple reflection cell 1. Can be taken out as a product by preventing. Further, ozone contained in the exhaust gas can be recovered and reused.

なお、上記の説明において、排気したガスは、熱交換器及びポンプで凝縮して送液するものであったが、排気したガスを圧縮機などで昇圧して送ガスするものであってもよい。ただし、排気したガスに含まれるオゾンが圧縮されることにより昇温し、一部分解して連鎖的反応となる恐れがあることに注意する必要がある。 In the above description, the exhausted gas is condensed by a heat exchanger and a pump and sent, but the exhausted gas may be pressurized by a compressor or the like and sent. .. However, it should be noted that the ozone contained in the exhaust gas may be compressed, causing the temperature to rise and partially decomposing to form a chain reaction.

また、第1蒸留塔45及び第2蒸留塔51には、規則充填物を用いた充填塔を用いることが好ましいが、本発明に係る同位体濃縮装置のオゾン精製手段及び分離手段としては、不規則充填物を用いた充填塔や棚段塔を用いてもよい。
さらに、第1蒸留塔45及び第2蒸留塔51は、オゾンを含むガスを液化可能な低温条件で保持されるが、多重反射セル1と第1蒸留塔45、及び、多重反射セル1と第2蒸留塔51のそれぞれを接続する配管や、第1蒸留塔45の塔底側からオゾンガスを抜き出す配管は、オゾンの自己分解を抑制するために低温で冷却することが好ましく、特に-50℃以下に冷却することが望ましい。
Further, although it is preferable to use a packed column using a packed bed for the first distillation column 45 and the second distillation column 51, it is not suitable as an ozone purification means and a separation means of the isotope concentrator according to the present invention. A packed column or a shelf column using a packed bed may be used.
Further, the first distillation column 45 and the second distillation column 51 are held under low temperature conditions in which a gas containing ozone can be liquefied, but the multiple reflection cell 1 and the first distillation column 45, and the multiple reflection cell 1 and the first. The piping connecting each of the two distillation columns 51 and the piping for extracting ozone gas from the bottom side of the first distillation column 45 are preferably cooled at a low temperature in order to suppress self-decomposition of ozone, particularly at -50 ° C or lower. It is desirable to cool to.

1 多重反射セル
3 容器
5、7 凹面ミラー
5a、7a 反射面
9 ガス吸込ノズル
11 排気配管
13 レーザ光源
15 レーザ透過窓
17 ガイドミラー
19 検出器
21 ガス導入管
23 ガス導出管
25 ミラー固定部材
27 ミラー調節機構
31 同位体濃縮装置
33 原料ガス供給手段
35 オゾン精製手段
37 吸引手段
39 分離手段
41 同位体濃縮装置
43 オゾナイザ
45 第1蒸留塔
47 熱交換器
49 ポンプ
51 第2蒸留塔
53 第1コンデンサ
55 第1リボイラ
57 圧縮機
59 流量計
61 バルブ
63 第2コンデンサ
65 第2リボイラ
1 Multiple reflection cell 3 Container 5, 7 Concave mirror 5a, 7a Reflection surface 9 Gas suction nozzle 11 Exhaust piping 13 Laser light source 15 Laser transmission window 17 Guide mirror 19 Detector 21 Gas introduction pipe 23 Gas outlet pipe 25 Mirror fixing member 27 Mirror Regulation mechanism 31 Isotope concentrator 33 Raw material gas supply means 35 Ozone purification means 37 Suction means 39 Separation means 41 Isotope concentrator 43 Ozonizer 45 1st distillation tower 47 Heat exchanger 49 Pump 51 2nd distillation tower 53 1st condenser 55 1st reboiler 57 Compressor 59 Flowmeter 61 Valve 63 2nd condenser 65 2nd reboiler

Claims (4)

光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有し、前記容器内にレーザ光を入射し、該入射したレーザ光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行う多重反射セルであって、
前記凹面ミラーの反射面付近にあるガスを吸い込んで前記容器外へと排気する吸込排気手段を備えたことを特徴とする多重反射セル。
It has a container that receives the supply of the sample gas to be the target of the light reaction, and a plurality of concave mirrors that are housed inside the container and arranged so as to face each other. A multi-reflection cell that performs a light reaction by reflecting laser light between the concave mirrors a plurality of times.
A multi-reflection cell comprising a suction / exhaust means for sucking gas near the reflection surface of the concave mirror and exhausting the gas to the outside of the container.
前記吸込排気手段は、ガス吸込ノズルを有し、該ガス吸込ノズルは、その向きを変更可能に設けられていることを特徴とする請求項1記載の多重反射セル。 The multiple reflection cell according to claim 1, wherein the suction / exhaust means has a gas suction nozzle, and the gas suction nozzle is provided so that its direction can be changed. 前記吸込排気手段により排気された前記ガスから前記試料ガスを分離して回収する分離回収手段を有し、
該回収した試料ガスを前記容器に再度供給するようにしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の多重反射セル。
It has a separation / recovery means for separating and recovering the sample gas from the gas exhausted by the suction / exhaust means.
The multiple reflection cell according to claim 1 or 2, wherein the recovered sample gas is supplied to the container again.
請求項1又は2に記載の多重反射セルと、オゾンを主成分とする原料ガスの供給を受けて、該原料ガスに含まれる酸素ガスを除去してオゾンガスを精製するオゾン精製手段を備え、該精製したオゾンガスを試料ガスとして前記容器に供給して光反応により酸素の同位体を濃縮する同位体濃縮装置であって、
前記吸込排気手段により排気された前記ガスを前記オゾン精製手段に戻すようにしたことを特徴とする同位体濃縮装置。
The multi-reflection cell according to claim 1 or 2, and an ozone refining means for purifying ozone gas by removing the oxygen gas contained in the raw material gas by receiving the supply of the raw material gas containing ozone as a main component. An isotope concentrator that supplies purified ozone gas as a sample gas to the container and concentrates oxygen isotopes by a photoreaction.
An isotope concentrator, characterized in that the gas exhausted by the suction / exhaust means is returned to the ozone purification means.
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