JPH0286814A - 同位体分離方法およびその分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は原子レーザ法による同位体分離方法およびそ
の分離装置に係り、特にイオン化ポテンシャル下の光共
鳴励起レベル領域の電場効果を利用して多段＠自起法に
より対象同位体原子を選択的に効率よく電離させ、分離
する同位体分離方法およびその分離装置に関する。

（従来の技術） 原子レーザ法による同位体分離では、ガドリニウム（Ｇ
ｄ）やサマリウム（Ｓｍ）　、ウラン（Ｕ）等の重金屈
同位体元素を対象とし、分離対象とする同位体原子に複
数波長のレーザ光を照射して２段階または３段階の多段
階励起させ、対象同位体原子を選択的に電離させ、イオ
ン化した対象同位体原子を電磁的に回収し、他の同位体
原子から分離させるようになっている。

レーザ光を使用して同位体分離を行なう光電離方法には
、連続体電離方法や自動電離方法、リドベリレベル電離
方法が文献的に知られている。

このうち、連続体電離方法は、第６図に示すように、同
位体金属原子に選択励起用レーザ光１ａを照射して基底
レベルＡ。から選択励起レベルＡ１に励起させ、この選
択励起レベルＡ１の同位体原子に申門励起用レーザ光１
ｂを照射して中間励起レベルＡ２に励起させる。そして
、選択励起レベルＡ　または中間励起レベルＡ２にある
同位体原子に電離用レーザ光１Ｃまたは１ｄを照射して
イオン化ポテンシャルＥ以上のエネルギレベルである連
続体電離レベルＦに非共鳴的に励起させて、対象同位体
原子をイオン化させている。

この連続体電離方法では、光電離断面積が約１ｏｉ７７
程度と非常に小さく、対象同位体原子を有効的に電離（
イオン化）させるためには、電離用レーザ光は非常に強
いパルスエネルギ密度（約１０　ｎ　Ｊ　／　ｃｉ以上
）のレーザ光が必要となる問題があった。

一方、自動電離方法は、選択励起レベルＡ１あるいは中
間励起レベルＡ２に励起された同位体原子に電離用レー
ザ光を照射して光共鳴励起反応を生じさせ、イオン化ポ
テンシャルＥｇ、上のエネルギレベルである自動電離レ
ベルに共鳴的に励起させ、対象同位体原子をイオン化さ
せている。

この自動電離方法による光電離の断面積は、連続体電離
の場合の光’；ａｍ断ｆｆｉ積より１桁〜３桁大きいと
され、イオン化に必要な′１ｉ離用レーザ光のパルスエ
ネルギ密度は、非共鳴的な連続体電離の電離用レーザ光
に較べ、逆に１桁から３桁受なくて済む利点がある。し
かし、この自動電離方法による同位体分離は光共鳴励起
反応を利用しているため、電離用レーザにはＧＨｚオー
ダの狭い帯域幅のレーザ光が必要である問題があった。

また、リドベリレベル電離方法は、選択励起レベルＡ　
あるいは中間励起レベルＡ２に励起されれた同位体原子
に電離用レーザ光を照射して光共鳴励起反応を生じさせ
、イオン化ポテンシャルＥ以下のエネルギレベルの高リ
ドベリレベルに共鳴的に励起させ、この高リドベリレベ
ルに励起された同位体原子にパルス電場を印加させたり
、あるいは赤外線を照射してイオン化ポテンシャルＥに
遷移させ、対象同位体原子をイオン化させている。

このリドベリレベル電離方法では、同位体原子を高リド
ベリレベルへ光共鳴励起させる電離用レーザ光の光励起
断面積は連続体電離断面積に較べ１桁〜３桁程度大きい
とされ、電離用レーザ光のエネルギ密度は小さくて済む
利点がある。

（発明が解決しようとする課題） しかし、従来のリドベリレベル電離方法に用いられる電
離用レーザ光はエネルギレベル幅の小さな光共鳴励起反
応であるため、第５図に示すようにより狭い帯域幅（ス
ペシトル幅）のパルスレーザ光が要求される上、対象同
位体原子をイオン化させるためにパルス電場を印加した
り、赤外線を照射する必要があった。しかし、同位体原
子のへリドベリレベルへの光共鳴励起反応は、電場の影
響を受は易いために、同位体原子の光反応時（レーザ光
照射時）には電場を印加せず、光反応終了後にパルス電
場を印加させる方法が採用され、パルス電場の印加が複
雑で面倒なものとなっていた。レーザ光照射時にパルス
電場を印加させると、シュタルク効果による励起不良が
生じる不都合があった。

この発明は上述した事情を考慮してなされたもので、同
位体原子を多段階光励起を用いて効果的かつ経済的にイ
オン化させ、対象同位体原子を分離させることができる
同位体分離方法およびその分ｌ１１１装置を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（ｖＲ題を解決するための手段） この発明に係る同位体分離方法は、同位体金属材料を加
熱溶融して金属蒸気流を発生させ、この金属蒸気流に光
反応部にて電場を印加しつつ複数波長のレーザ光を照射
して金属蒸気流の同位体原子をイオン化ポテンシャルよ
り低いエネルギの光共鳴励起レベル以上の領域に多段階
励起して対象同位体原子をイオン化させ、他の同位体原
子から分離回収させる方法である。

また、この発明の同位体分離装置は、密閉された真空容
器と、この真空容器内の底部に設けられ、同位体金属材
料を加熱溶融して金属蒸気流を発生させる金属蒸気発生
装置と、金属蒸気流の流れ方向に平行に陽電極と陰電極
とを交互に配回して形成される製品回収電極と、この製
品回収電極に流入した金属蒸気流に複数波長のレーザ光
を照射し、金属蒸気流に含まれる対象同位体原子をイオ
ン化ポテンシャル下のエネルギ領域に多段階励起させる
レーザ装置と、レーザ光照射時に製品回収電極に電場を
印加させ、対象同位体原子をイオン化させる装置とを有
し、イオン化した対象同位体原子を陰電極方向に偏向さ
せ、他の同位体原子から分離回収したものである。

（作用） この発明は、同位体金属材料を加熱溶融した金属蒸気流
に光反応部にて適切な強度の電場を印加しながら複数波
長のレープ光を照射して同位体原子をイオン化ポテンシ
ャルより低いエネルギの特定の光共鳴励起レベル以上の
領域に多段階光励起させると強い電１１（イオン化）が
起ることを利用したものであり、レーザ光を使用して対
象同位体原子を多段階光励起させ、このレーザ光照射時
に適度の電場を印加させて対象同位体原子を選択的に効
率よく分離させ、他の同位体原子から分離回収させたも
のである。

（実施例） 以下、この発明の一実施例について添付図面を参照して
説明する。

第１図および第２図はこの発明に係る原子レーザ法を用
いた同位体分離装置１０を原理的に示す図であり、この
同位体弁！１装置１０は、ガドリウムやウラン等の重金
属同位体元素の同位体分離を主な対象にする。

同位体分離装置１０は密閉された真空容器１１内の底部
に資料としての同位体金属材料１２を加熱溶融させる金
属蒸気発生装置１３が設問される。

余尺蒸気発生装置１３は同位体金属材料１２を収容した
蒸発用るつぼ１４を備え、この蒸発用るつぼ１４の同位
体金属材料１２に電子銃１５から発射され、図示しない
偏向磁場により曲げられた電子ビーム１６が照射される
。同位体金属材料１２は電子ビーム１６の照射により加
熱溶融され、蒸発して金Ｒ蒸気流１７を発生させる。

この金属蒸気流１７はコリメータ１８により絞られて真
空容器１１内の光反応部２０に案内される。光反応部２
０には金属蒸気流１７のうち対象同位体原子を分離回収
する製品回収電極２１が設けられる。この製品回収電ｉ
２１にて回収されない同位体原子は素通りしてその上方
の廃品回収板２２により回収される。

一方、製品回収電極２１は複数枚のプレート状陽電極２
３．２３・・・と陰電極２４．２４・・・とが、金属蒸
気流の流れ方向に平行に、かつ所要間隔をおいて交互に
対向配設される。光反応部２０は各陽電極２３と陰電極
２４との間に形成され、光反応部２０には金属蒸気流１
７の流れに直角方向にレーザ装置２５から複数波長の可
視光領域のレーザ光２６が照射されるようになっている
。このレーザ光２６は、第３図に示すように選択励起用
レーザ光２６ａ、中間励起用レーザ光２６ｂおよび電離
用レーザ光２６ｃ、２６ｄを適宜合成したものである。

しかして、金属蒸気流発生装置１３にて加熱溶融され、
蒸気化した金属蒸気流１７は光反応部２０にて特定波長
の選択励起用レーザ光２６ａの照射を受け、金属蒸気流
１７に含まれる対象同位体原子は基底レベルＡ。がら選
択励起レベルＡ１に選択的に励起される。この選択励起
レベルＡ１に励起された対象同位体原子は続いて中間励
起用レザ光２６ｂの照射を受けて中間励起レベルＡ２に
励起される。

次に、中間励起レベルＡ２に選択的に励起された対象同
位体原子に電離用レーザ光２６ｃを照射して光共鳴励起
反応を生じさせ、イオン化ポテンシャルＥより低いエネ
ルギの特定の光共鳴励起レベル以上の領域Ｇに励起させ
るか、あるいは、選択励起レベルＡ１に励起された対象
同位体原子に電離用レーザ光２６ｄを照射して上記エネ
ルギ領域Ｇに励起させる。このように、光反応部２０に
て金属蒸気流１７に複数波長のレーザ光２６を照射して
２段階あるいは３段階の多段階励起を行ない、対象同位
体原子を上記エネルギ領域Ｇに遷移させる。

一方、レーザ装Ｈ２５からのレーザ光２６の照射時に、
電場印加装置３０により適宜強さの電場を光反応部２０
に印加させる。具体的には、製品回収電極２１のＩ！ｌ
ｉ電極２３と陰電極２４との間に直流電場（電界）をレ
ーザ光照射時に印加させる。

この電場の印加によりイオン化ポテンシャルより低いエ
ネルギの、特定の光共鳴励起レベル以上の領域Ｇに励起
された対象同位体原子は強い電離作用が生じ、イオン化
されることが判明した。

この場合には、従来のリドベリレベル電離方法と異なり
、電離用レーザ光２６Ｃ，２６ｄに第５図に示すように
、スペクトル幅の狭い特定波長の光共鳴励起ピークにレ
ーザ光（色素レーザ光）の波長をチューニングする必要
がなく、第４図に示すようにスペクトル幅の広い強力な
レーザ装置、例えば銅蒸気レーザやエキシマレーザを電
離用レーザ光２６ｃ、２６ｄに用いることができ、銅蒸
気レーザやエキシマレーザ等を用いても対象同位体原子
を連続的かつ効果的にイオン化させることができる。し
かも、光電離の断面積は通常の連続体電離の断面積より
大きいので、レーザ光のパルスエネルギ密度は小さくて
よい。

このように、レーザ装置２５からのレーザ光２６照射時
に、電場印加装置３０により適宜強度の電場を光反応部
２０に印加させることにより特定の光共鳴励起レベル以
上の領域Ｇに励起した対象同位体原子を強くイオン化さ
せることができる。

この陽イオン化された対象同位体原子は陰電極方向に吸
収され、他の同位体原子から分離回収される。

一方、レーザ光２６の照射や直流電場の印加によっても
イオン化しなかった同位体原子を含む金属蒸気流は製品
回収電極２１の電界により影響を受けずに通過し、製品
回収電極上方の廃品回収板２２に回収される。

〔発明の効果〕

以上に述べたようにこの発明においては、光反応部にて
適切な強度の電場を印加しつつ複数波長のレーザ光を照
射することによりイオン化ポテンシャルより低い特定の
光共鳴励起レベル以上の領域に励起された対象同位体原
子を連続的に強く電離させることができるので、対象同
位体原子を選択的に効率よくイオン化させることができ
る。

その際、電離用レーザ光として、スペクトル幅の狭い色
素レーザ等のレーザ光をチューニングする必要がないた
め、スペクトル幅の広い強力なレーザ光を使用すること
ができる。

第１図はこの発明に係る同位体分離装置の一実施例を示
す原理的な斜視図、第２図は第１図の■−■線に沿う断
面図、第３図は光イオン化反応によるエネルギ単位を示
す図、第４図は光反応時雷揚印加の場合の電離用レーザ
光の波数とイオン五１との関係を示−す図、第５図は光
反応ｔ［ｌｉ非印加の場合（パルス電場印加時）の電離
用レーザ光の波数とイオン吊との関係を示す図、第６図
は連続体電離方法における光イオン化反応によるエネル
ギ単位を示す図である。

１０・・・同位体分離装置、１１・・・真空容器、１２
・・・同位体金属材料、１３・・・金属蒸気光生装置、
１４・・・蒸気用るつぼ、１５・・・電子銃、１７・・
・金属蒸気流、２０・・・光反応部、２１・・・製品回
収電極、２２・・・廃品回収板、２３・・・陽Ｔｉ極、
２４・・・陰電極、２５・・・レーザ装置、２６・・・
レーザ光、２６ａ・・・選択励起レーザ光、２６ｂ・・
・中間励起レーザ光、２６ｃ、２６ｄ・・・電離用レー
ザ光、３０・・・電場印加装置。

【図面の簡単な説明】

第 図 第 図 第２ 図 電離用レーず光の波数 電離用レー＋ｒ児の波数 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同位体金属材料を加熱溶融して金属蒸気流を発生さ
   せ、この金属蒸気流に光反応部にて電場を印加しながら
   複数波長のレーザ光を照射して金属蒸気流の同位体原子
   をイオン化ポテンシャルより低いエネルギの光共鳴励起
   レベル以上の領域に多段階励起して対象同位体原子をイ
   オン化させ、他の同位体原子から分離回収させることを
   特徴とする同位体分離方法。 ２、密閉された真空容器と、この真空容器内の底部に設
   けられ、同位体金属材料を加熱溶融して金属蒸気流を発
   生させる金属蒸気発生装置と、金属蒸気流の流れ方向に
   平行に陽電極と陰電極とを交互に配置して形成される製
   品回収電極と、この製品回収電極に流入した金属蒸気流
   に複数波長のレーザ光を照射し、金属蒸気流に含まれる
   対象同位体原子をイオン化ポテンシャル下のエネルギ領
   域に多段階励起させるレーザ装置と、レーザ光照射時に
   製品回収電極に電場を印加させ、対象同位体原子をイオ
   ン化させる装置とを有し、イオン化した対象同位体原子
   を陰電極方向に偏向させ、他の同位体原子から分離回収
   したことを特徴とする同位体分離装置。