JPH04239785A - 金属原子の多段階励起方法 - 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】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は超微細構造を有する金属
原子を励起させる金属原子の多段階励起方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】金属原子をレーザ光により多段階励起す
る技術は、特に同位体分離の分野で有用である。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等と比較すると
同位体分離効率が非常に高く、優れている。このため、
原子レーザ法の同位体分離方法は、特定の同位体を所定
濃度のレベルに濃縮させるのに、何回も同じ分離操作を
カスケード方式で繰り返す必要がなく、注目されている
。

【０００４】原子レーザ法による同位体分離プロセスは
、同位体分離用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・溶解し、金属蒸気を生じ
させる金属蒸気生成工程と、この金属蒸気から特定の同
位体を選択的に励起させる選択励起工程と、選択励起さ
れた特定同位体の金属原子を光電離（イオン化）させ、
イオン化同位体を回収する分離回収工程とに大別される
。

【０００５】一方、同位体分離の対象となる金属原子を
、レーザにより多段階励起させる際、この励起に同位体
シフトが認められる。このため、同位体分離プロセスに
おいては、特定の同位体のエネルギ準位に合わせて、選
択励起用レーザ光を照射して特定同位体だけを励起させ
、この選択励起用レーザ光と別の電離用レーザ光を照射
して、励起された特定同位体のエネルギ準位をさらに高
め、特定同位体だけをイオン化させている。

【０００６】また、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ゼロであるの
に対し、奇数核同位体は、核スピンを有するために、遷
移の光吸収スペクトル線が複数本に分裂し、超微細構造
をもつものがある。特定同位体が超微細構造をもち、そ
の主要遷移による励起スペクトル幅が広い場合、特定同
位体をレーザ光照射により選択的に全て励起させるには
、広い励起スペクトル幅をカバーするように、レーザ光
の線幅（波長幅）を広くしたり、マルチモードのレーザ
光を使ったりする必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】金属原子を多段励起す
るとき、基底レベルにある原子と準安定レベルにある原
子とを、ともに共通の上位エネルギレベルを経由して上
位へ励起する場合、基底レベルからの励起用レーザ光お
よび準安定レベルからの励起用レーザ光が、ともに光吸
収遷移の共鳴周波数に同調されていても、基底レベル、
共通の上位レベル、準安定レベル間でコーヒレントトラ
ッピングが起こり、レーザ出力を上げても励起効率が頭
打ちになる。

【０００８】また、超微細構造をもつ金属原子を励起す
るのに、線幅の広いレーザ光あるいはマルチモードのレ
ーザ光を用いるには、各波長域に所定のパワーが必要と
なり、レーザ光をエネルギ的に有効に利用することが困
難であった。

【０００９】さらに、超微細構造をもつ金属原子を励起
させるために、シングルモードあるいは数モードのレー
ザ光を周波数掃引することにより励起する方法は、多段
階励起の場合下位段と上位段の周波数掃引のタイミング
が問題となる。つまり、下位段で周波数掃引するレーザ
光が、着目する遷移ラインに同調するよりも前に、上位
段で周波数掃引するレーザ光が、その遷移ラインからさ
らに上位レベルへ励起される遷移ライン位置を通過して
いる場合には、それ以上励起されないので、必ず上位段
ほどレーザ光の同調タイミングを同じかそれより遅くし
ないといけない。しかし一般に超微細構造による遷移ラ
インの分布は、励起段毎に様子が違うので、各段のレー
ザ光を同時に照射しながら、かつ上記のタイミングを満
足するのは困難である。

【００１０】これを解決する方法としてパルスレーザを
使い、かつ下位段のレーザ光より上位段のレーザ光を照
射する時間を遅らせることが考えられる。しかしこれも
基底レベルにある原子と準安定レベルにある原子とを、
ともに共通の上位エネルギレベル（以下、第一励起レベ
ルと呼ぶ）を経由して多段階励起する場合には、基底レ
ベルからの励起レーザ光と準安定レベルからの励起レー
ザ光との両方に遅れて、第一励起レベルからさらに上位
エネルギレベル（以下、上位エネルギレベルを順に第二
励起レベル、第三励起レベルなどと呼ぶ）への励起レー
ザ光を照射することになるが、第一励起レベルからさら
に第二励起レベルへの励起レーザ光を照射するまでに、
基底レベルから第一励起レベルへ励起した原子は、誘導
放出により準安定レベルへ、また準安定レベルから第一
励起レベルへ励起した原子は、誘導放出により基底レベ
ルへ落ちてしまい励起効率が向上しない。

【００１１】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、周波数掃引するレーザ光とマルチモードを有
するレーザ光とを併用することにより、励起漏れを少な
くしかつレーザ出力を節約できる金属原子の多段階励起
方法を提供することを目的とする。 〔発明の構成〕

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成する手段として、金属蒸気にレーザ光を照射して、超
微細構造を有する金属原子を多段階励起させる方法にお
いて、金属原子の基底レベルおよび準安定レベルの両方
から第一励起レベルへの励起用として、周波数同調位置
固定のマルチモードレーザ光を用いるとともに、第一励
起レベルから次の第二励起レベルへの励起用として、周
波数掃引するレーザ光を用いるようにしたことを特徴と
する。

【００１３】

【作用】本発明に係る金属原子の多段階励起方法におい
ては、第一励起レベルへの励起用として、周波数同調位
置固定のマルチモードレーザ光が用いられる。このため
、コヒーレントトラッピングが最も顕著になる、基底レ
ベルからの励起用レーザ光と準安定レベルからの励起用
レーザ光とが、それぞれ遷移ラインに同調しているとい
うような状態ではなく、超微細構造に起因するどの遷移
ラインも複数のモードにより共鳴あるいは近共鳴励起さ
れるようになり、コヒーレントトラッピング状態が緩和
され、励起効率低下が防止される。

【００１４】一方、第二励起レベルへの励起用としては
、周波数掃引するレーザ光が用いられる。このため、超
微細構造に起因する複数の主要な遷移ラインすべてを一
度はレーザ光が通過することになり、第一励起レベルへ
の励起用のマルチモードレーザ光では、着目する遷移ラ
インとレーザ光とに離調があっても、この離調を周波数
掃引で相殺でき、二光子吸収過程により第二励起レベル
への励起レベルを向上させることが可能となる。また、
周波数掃引により、レーザ出力を節約することが可能と
なる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００１６】図２は、本発明に係る金属原子の同位体分
離（選択的励起）方法を実施するための同位体分離装置
の一例を示すもので、この同位体分離装置１は、真空容
器２の下部に金属蒸気発生装置３を配置して構成されて
おり、この金属蒸気発生装置３は、銅あるいはタングス
テン材料で形成された蒸発用るつぼ４を備え、この蒸発
用るつぼ４内には、ガドリニウム、ジルコニウム、ウラ
ンあるいはプルトニウム等の金属原料５が収容されてい
る。そして、この金属原料５には電子銃１０から電子ビ
ームＢが照射されるようになっている。

【００１７】この電子ビームＢは、図２に示すように、
ホルムヘルツコイル等の外部偏向磁場６により、例えば
１８０度〜２７０度偏向されて照射され、金属原料５を
加熱、溶融して蒸発させるようになっている。すなわち
、金属原料５に照射される電子ビームＢが、溶融した金
属液面をたたくことにより、金属原料５が蒸発するよう
になっており、蒸発した金属原料５の蒸気流Ｓは、所定
の拡がりをもって上昇するようになっている。

【００１８】この上昇金属の蒸気流Ｓには、図２に示す
ように、レーザ装置（図示せず）から選択励起用レーザ
光および電離用レーザ光Ｌが照射されるようになってお
り、選択励起用レーザ光Ｌの照射により、蒸気流Ｓは特
定の同位体の金属原子が光共鳴反応により選択的に励起
されるとともに、励起された特定同位体の金属原子に、
電離用レーザ光Ｌを照射させることにより、金属原子の
エネルギ準位が高められてイオン化されるようになって
いる。

【００１９】イオン化された特定同位体は、正電荷を有
するイオン化同位体となり、図２に示すように、電極７
間に形成される電界により陰電極側の回収電極に回収さ
れるようになっている。一方、イオン化されない金属原
子は、電界の影響を受けないため電極７間の電極空間を
素通りし、電極７の二次側に配設した捕集用回収板８に
捕集され回収されるようになっている。

【００２０】ところで、金属原料５から同位体分離され
る特定同位体が奇数核同位体の場合には、核スピンをも
つので超微細構造により光吸収スペクトル線は分裂し、
そのうち主要遷移による光吸収スペクトル線は、図３に
示すように、複数本、例えば符号Ａ〜Ｈで示す８本にな
る。そして、これらに漏れなくレーザ光を同調させるた
め、マルチモードレーザ光あるいは周波数掃引するレー
ザ光が用いられる。

【００２１】図１は、３段階励起により原子をイオン化
する励起スキームにおいて、基底レベルおよび準安定レ
ベルからの励起にマルチモードレーザ光を用い、第一励
起レベルからの励起に周波数掃引するシングルモードレ
ーザ光あるいは数モードのマルチモードレーザ光を用い
、さらに第二励起レベルからの励起にマルチモードレー
ザ光を用いる場合の体系を示すもので、以下、図１を参
照して本発明に係る金属原子の多段階励起方法を説明す
る。

【００２２】本発明に係る金属原子の多段階励起方法は
、金属原子基底レベルおよび準安定レベルの両方から、
共通の上位エネルギレベル（第一励起レベル）へ励起す
る場合は、周波数同調位置固定のマルチモードレーザ光
が用いられる。このため、コヒーレントトラッピングが
最も顕著になる、基底レベルからの励起用レーザ光と準
安定レベルからの励起用レーザ光とが、それぞれ遷移ラ
インに同調しているというような状態ではなく、超微細
構造に起因するどの遷移ラインも、複数のモードにより
共鳴あるいは近共鳴励起されることになり、基底レベル
、第一励起レベル、準安定レベル間でのコヒーレントト
ラッピング状態が緩和され、励起効率低下が防止される
。

【００２３】また、金属原子が超微細構造を持つ場合に
は、基底レベルおよび準安定レベルから第一励起レベル
への励起（以下、第一励起と呼ぶ）に、超微細構造に起
因する複数の主要な遷移ラインすべてを共鳴励起あるい
は近共鳴励起できるよう、充分に広い周波数領域に亘っ
て複数の縦モードが立っているマルチモードレーザ光を
用いる。

【００２４】第一励起レベルから第二励起レベルへの励
起（以下、上位になるにつれ第二段励起、第三段励起等
と呼ぶ）には、シングルモードのレーザ光あるいは数モ
ードのマルチモードのレーザ光が用いられ、超微細構造
に起因する複数の主要な遷移ラインすべてを、一度はレ
ーザ光が通過するような範囲で周波数掃引する。

【００２５】ここで、第一段励起用のマルチモードレー
ザ光は、複数の遷移ラインを充分励起できるよう、各波
長領域所定のエネルギを供給する必要があるので、レー
ザ出力も大きくなるが、第二段励起用のレーザ光は、周
波数掃引するので、シングルモードあるいは数モードの
マルチモードの領域のみ所定のエネルギがあればよく、
第一段励起用のマルチモードレーザ光ほどレーザ出力を
必要とせず、レーザ出力を節約することができる。

【００２６】第二段励起用レーザ光をシングルモードと
するかマルチモードとするかは、第二段励起の超微細構
造に起因する複数の遷移ラインの分布と遷移強度とによ
って決まる。

【００２７】また、周波数掃引により原子を効率よく励
起するには、断熱反転条件を満足する必要があるが、そ
れには、レーザ光を、着目する共鳴周波数から充分離れ
た位置から共鳴周波数を通過して充分離れた位置まで、
充分ゆっくり通過させることである。

【００２８】より具体的には、レーザ光による遷移強度
は光共鳴吸収断面積とレーザ強度とから決まるラビ周波
数で定量化され、周波数掃引する場合の充分離れた位置
とは、共鳴周波数からラビ周波数ないしはラビ周波数の
数倍程度を意味する。また、充分ゆっくりとは、共鳴周
波数の前後を周波数掃引される時間が、着目している上
下二つのエネルギレベル間で最低一回はラビ振動が起き
、下位レベルから上位レベルへの遷移が可能な程度を意
味する。

【００２９】ところで、第一段励起用のレーザ光はマル
チモードであるが、超微細構造に起因する複数の第二段
励起用レーザ光を周波数掃引すると、第一段励起用のマ
ルチモードレーザ光では、着目する遷移ラインとレーザ
光とが同調しない（遷移ラインとレーザ光とに離調があ
る）ことがあるが、遷移ラインとレーザ光とが同調して
いなくても、第二段励起用レーザ光は周波数掃引される
ので、この周波数掃引により第一段励起の離調を相殺で
き、二光子吸収過程により第二励起レベルへの励起効率
を向上させることができる。

【００３０】第二励起レベルから、第三励起レベルおよ
びそれ以上、例えばイオン化レベル以上への段励起には
、周波数掃引するレーザ光でも、また図１に示すように
同調位置固定のマルチモードレーザ光を用いてもよい。 第三段励起あるいはそれ以上の励起には、マルチモード
レーザ光に代えて周波数掃引するレーザ光を用いて周波
数掃引する場合には、下位段の周波数掃引のタイミング
と同じかそれよりも遅らせる必要がある。

【００３１】なお、前記実施例では、金属原子の基底レ
ベルおよび準安定レベルの両方から第一励起レベルに励
起する場合について説明したが、準安定レベルからの励
起を考えない場合には、第一段励起に周波数掃引のレー
ザ光を用い、第二段励起にマルチモードのレーザ光を用
いることも可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、金属原子
の基底レベルおよび準安定レベルの両方から第一励起レ
ベルへの励起用として、周波数同調位置固定のマルチモ
ードレーザ光を用いているので、超微細構造に起因する
どの遷移ラインも、複数のモードにより共鳴あるいは近
共鳴励起され、基底レベル、第一励起レベル、準安定レ
ベル間でのコヒーレントトラッピングによる励起効率低
下を防止することができる。

【００３３】また、第一励起レベルから次の第二励起レ
ベルへの励起用として、周波数掃引するレーザ光を用い
ているので、第一励起では、着目する遷移ラインとレー
ザ光とに離調があっても、周波数掃引により第一段励起
の離調を相殺でき、二光子吸収過程により第二励起レベ
ルへの励起効率を向上させることができるとともに、周
波数掃引するレーザ光を用いることにより、レーザ光出
力を節約できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る金属原子の多段階励起方法の一例
として、三段階励起によりイオン化する場合を示すレー
ザ光の使用構成図。

【図２】本発明に係る同位体の選択的励起方法を実施す
るための同位体分離装置の一例を示す原理図。

【図３】金属原子の超微細構造に起因する複数の光吸収
遷移ラインを示す模式図。

【符号の説明】

１　　同位体分離装置 ２　　真空容器 ３　　金属蒸気発生装置 ４　　蒸発用るつぼ ５　　金属原料 ６　　ホルムヘルツコイル ７　　電極 ８　　捕集用回収板 Ｓ　　蒸気流

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　金属蒸気にレーザ光を照射して、超微
   細構造を有する金属原子を多段階励起させる方法におい
   て、金属原子の基底レベルおよび準安定レベルの両方か
   ら第一励起レベルへの励起用として、周波数同調位置固
   定のマルチモードレーザ光を用いるとともに、第一励起
   レベルから次の第二励起レベルへの励起用として、周波
   数掃引するレーザ光を用いることを特徴とする金属原子
   の多段階励起方法。