JPH04317737A - Laser beam chemical reaction device - Google Patents

Laser beam chemical reaction device

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Publication number
JPH04317737A
JPH04317737A JP10816791A JP10816791A JPH04317737A JP H04317737 A JPH04317737 A JP H04317737A JP 10816791 A JP10816791 A JP 10816791A JP 10816791 A JP10816791 A JP 10816791A JP H04317737 A JPH04317737 A JP H04317737A
Authority
JP
Japan
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laser
laser beam
reactor
laser beams
reaction
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP10816791A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naoya Hamada
直也 浜田
Yuji Fujioka
裕二 藤岡
Tatsuhiko Sakai
辰彦 坂井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
Nippon Steel Corp
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Research Development Corp of Japan
Nippon Steel Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp, Research Development Corp of Japan, Nippon Steel Chemical Co Ltd filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP10816791A priority Critical patent/JPH04317737A/en
Publication of JPH04317737A publication Critical patent/JPH04317737A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To enhance the photochemical reacting efficiency of laser output by a method wherein three optical systems are arranged in such a manner that the condensing laser beams therefrom coincide at least twice in their condensing position and the three optical systems are disposed in a reactor. CONSTITUTION:The laser beams 1 are CO2 laser beams generated by a laser beam generator and are condensed by a ZnSe-made condensing lens 2 having both its sides coated with a nonreflecting coating material to prevent the loss of the laser beam reflection from its surface. The laser beams 1 are introduced into a reactor 5, converged into a focus, reflected by a spherical mirror 3, converged near the center of an angle reactor 5, and then the laser beams reach a spherical mirror 4. The laser beams repeat multiple reflection between the spherical mirrors 3 and 4 and coincide near the center of the reactor 5 and a reactant material gas 6 is supplied under a predetermined pressure from the side face of the reacter 5 through a throat-shaped gas outlet 8 into the reacter 5. After laser irradiation, the reactant gas, together with the reaction product, is carried out from the reactor 5 from its gas suction opening 9 to separate the reaction product therefrom.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビームを利用し
て同位体分離等の光化学反応を行うための反応装置に係
わり、特にレーザ発振器から取り出されたレーザエネル
ギの大半を光化学反応に有効に利用し、かつ強いレーザ
エネルギ密度による光学部品の破壊等の無い高い信頼性
を有するレーザ光化学反応装置に関する。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a reaction device for performing photochemical reactions such as isotope separation using a laser beam, and in particular, the present invention relates to a reaction device for performing photochemical reactions such as isotope separation using a laser beam. The present invention relates to a laser photochemical reaction device that is highly reliable and does not cause damage to optical components due to strong laser energy density.

【0002】0002

【従来技術】近年のレーザ技術における大出力化、発振
波長の多様化はレーザを光化学反応に利用しようという
研究を促進させてきた。レーザの光化学反応への応用の
最も典型的な例は、水素からウランに至る種々の元素の
同位体分離・濃縮技術であり、これは原料物質の光吸収
特性の同位体シフトを利用し、所望の同位体元素を含む
物質のみの化学反応を促進させることによるものである
。そして、従来この様なレーザビームによる同位体分離
・濃縮反応については種々の方法及び装置が提案されて
いる。例えば、特開昭60−132,629号公報の第
1図に開示されているものは、パルス炭酸ガスレーザ光
を長焦点レンズで集光して反応器内に導入し、その焦点
面近傍で光化学反応を行わせるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION In recent years, the increase in output power and the diversification of oscillation wavelengths in laser technology have promoted research into the use of lasers for photochemical reactions. The most typical example of the application of lasers to photochemical reactions is isotopic separation and enrichment technology for various elements ranging from hydrogen to uranium. This is by promoting the chemical reaction of only substances containing isotopic elements. Conventionally, various methods and apparatuses have been proposed for such isotope separation/concentration reactions using laser beams. For example, in the method disclosed in FIG. 1 of JP-A No. 60-132,629, a pulsed carbon dioxide laser beam is focused by a long focal length lens and introduced into a reactor, and photochemical reactions are performed near the focal plane. It causes a reaction to occur.

【0003】この様な赤外多光子吸収を用いた光化学反
応においては、一般にレーザのエネルギ密度がある値迄
はその増加と共に指数関数的に反応効率が向上し、それ
以上では反応効率は飽和するという所謂クリティカルフ
ルーエンスが存在する。このために、レーザビームはそ
の集光された位置でクリティカルフルーエンスが得られ
るような焦点距離の集光レンズで収束され、その焦点近
傍で反応が進行する。従って、この様な反応器において
は反応器内の一部でのみレーザパワーが有効に使われる
に過ぎず、反応器内でクリティカルフルーエンスに満た
ない領域では、反応に寄与することなくレーザエネルギ
が吸収され、更に残存したエネルギは反応器出射端から
散逸するため、実際にレーザ発振器から出力されたレー
ザパワーの数%から20%程度しか有効に化学反応に用
いられないという問題点があった。
In such photochemical reactions using infrared multiphoton absorption, the reaction efficiency generally increases exponentially as the laser energy density increases up to a certain value, and beyond this point the reaction efficiency saturates. There is a so-called critical fluence. For this purpose, the laser beam is converged by a condensing lens having a focal length such that a critical fluence can be obtained at the condensed position, and the reaction proceeds near the focal point. Therefore, in such a reactor, the laser power is only used effectively in a part of the reactor, and in the region of the reactor below the critical fluence, the laser energy is absorbed without contributing to the reaction. Furthermore, since the remaining energy is dissipated from the output end of the reactor, there is a problem in that only a few to 20% of the laser power actually output from the laser oscillator is effectively used for chemical reactions.

【0004】また、レーザビームを用いた光化学反応工
程においては、初期コストやランニングコストの何れに
おいてもレーザの占める割合が最も高く、低コストのレ
ーザ光化学反応工程を実現するためには、レーザパワー
の有効利用技術が必須の要件となる。そこで、この様な
問題に対応するため、特開昭59−123,517号公
報の第3図に示されている様な直列多段集光系が提案さ
れている。しかしながら、この方法では、集光段数が多
くなればなるほど上記の方法に比べてレーザパワーの利
用率が高くなるが、反応器が莫大な長さとなり、光軸の
安定性の確保が困難であること、各段の焦点前後での原
料物質の吸収による反応に寄与しないレーザエネルギの
損失が大きい等の問題点があった。ここで、後者の問題
点に関しては、原料物質をクリティカルフルーエンスの
得られている領域にのみ限定して存在させるために、反
応器の長さをその領域に一致させるべく短くすることが
考えられるが、クリティカルフルーエンスが数J/cm
2 以上に高い場合、レーザビームを透過させるための
窓材の耐光強度を越えてしまい、窓材の破損が頻発する
ため、安定で信頼性のある反応装置が実現できない問題
点がある。更に、前者の問題点の対応として、反応器の
長さが短く、かつレーザパワーを有効に利用できる方式
として、特開昭54−12,290号公報の第1図に示
される様な多重反射鏡対を設けた反応器の例がある。こ
の場合、ビームの多重反射においては焦点を結ぶことな
く重畳を繰り返すので、要求されるクリティカルフルー
エンスが1J/cm2 程度の低い値の場合には非常に
有効な方法であるが、高フルーエンス、例えば5〜6J
/cm2 が要求されるような場合には重畳領域全域で
これを実現することは困難である。更に、反射鏡の表面
形状が複雑になり、また反射鏡の近傍でも反応が起きる
ので、反応生成物によって反射鏡表面が汚損され、長時
間にわたる安定した反応が実現出来ない問題点もある。
In addition, in the photochemical reaction process using a laser beam, the laser accounts for the highest proportion of both initial cost and running cost, and in order to realize a low-cost laser photochemical reaction process, it is necessary to increase the laser power. Effective utilization technology is an essential requirement. In order to deal with this problem, a series multi-stage light condensing system as shown in FIG. 3 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-123-517 has been proposed. However, in this method, as the number of condensing stages increases, the utilization rate of laser power increases compared to the above method, but the reactor becomes extremely long and it is difficult to ensure the stability of the optical axis. In addition, there are problems such as a large loss of laser energy that does not contribute to the reaction due to absorption of the raw material before and after the focal point of each stage. Regarding the latter problem, in order to limit the presence of the raw material only in the region where critical fluence is obtained, it is possible to shorten the length of the reactor to match that region. , critical fluence is several J/cm
If it is higher than 2, the light resistance strength of the window material for transmitting the laser beam will be exceeded, and the window material will frequently break, resulting in the problem that a stable and reliable reaction device cannot be realized. Furthermore, as a solution to the former problem, as a system in which the length of the reactor is short and the laser power can be used effectively, multiple reflection as shown in Figure 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-12,290 has been developed. There is an example of a reactor equipped with a pair of mirrors. In this case, multiple reflections of the beam repeat the superposition without focusing, so this method is very effective when the required critical fluence is as low as 1 J/cm2, but it is very effective when the required critical fluence is as low as 1 J/cm2. ~6J
/cm2 is required, it is difficult to realize this over the entire overlap region. Furthermore, since the surface shape of the reflecting mirror becomes complex and the reaction occurs near the reflecting mirror, the reflecting mirror surface is contaminated by the reaction products, and there is also the problem that a stable reaction over a long period of time cannot be realized.

【0005】また、更に高いフルーエンス、例えば10
J/cm2 が要求される様な場合について、特開昭5
9−42,026号公報の第1図に開示されている様に
、反応器内でのレーザビームの多重反射方式が提案され
ている。この方式では、反応器内にレーザビームの多重
反射用球面鏡対を設けることで、反応器内に異なる位置
で複数個の焦点を結ばせており、高いフルーエンスが要
求され、かつレーザの原料気体による吸収係数が小さい
場合には集光の回数分だけ、単一集光に対して線形に近
い形で反応量が増大する。しかしながら、吸収係数が0
.1%/cm以上あるような場合には、ビームが絞られ
ていない領域のレーザパワー損失が大きくなり、反応量
の大きな増加は期待できない。更に、反射鏡表面近傍で
も、僅かながら反応が起きるため、反応生成物による反
射鏡表面の汚損の問題がある。
[0005] Also, even higher fluences, such as 10
For cases where J/cm2 is required, Japanese Patent Application Laid-open No. 5
As disclosed in FIG. 1 of Japanese Patent No. 9-42,026, a method of multiple reflection of a laser beam within a reactor has been proposed. In this method, a pair of spherical mirrors for multiple reflection of the laser beam is provided inside the reactor, and multiple focal points are focused at different positions within the reactor. When the absorption coefficient is small, the amount of reaction increases in a manner close to linear with respect to a single light collection by the number of times of light collection. However, the absorption coefficient is 0
.. If it is 1%/cm or more, the laser power loss in the region where the beam is not focused becomes large, and a large increase in the amount of reaction cannot be expected. Furthermore, since a small amount of reaction occurs near the surface of the reflecting mirror, there is a problem that the surface of the reflecting mirror is contaminated by reaction products.

【0006】この様な反射鏡汚損の問題に対応するため
、特開昭61−153,126号公報の第1図に反射鏡
の近傍にのみキャリアガスを流通する方式が開示されて
いる。この例においては、多数の反射鏡を設け、同位体
分離室とキャリアガス流通室とを分離するために、レー
ザ光を透過させるための通過穴のある仕切板を設置して
いるが、長時間の稼働においてレーザ光軸の変動が発生
すると、安定したレーザ照射が実現できない問題点があ
る。
[0006] In order to deal with such a problem of contamination of the reflector, Japanese Patent Application Laid-Open No. 153-126-1983 discloses a system in which a carrier gas is passed only in the vicinity of the reflector in FIG. 1. In this example, a large number of reflecting mirrors are installed, and in order to separate the isotope separation chamber and the carrier gas distribution chamber, a partition plate with passage holes for transmitting laser light is installed. If the laser optical axis fluctuates during operation, there is a problem that stable laser irradiation cannot be achieved.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、比較
的高いフルーエンスが要求される光化学反応において、
廉価でかつ信頼性の高い反応工程を実現することにあり
、特にその中で最も高い価格を占めるレーザビームのパ
ワーを有効に利用することにより、レーザ出力に対する
光化学反応効率を向上させることができる簡易なレーザ
光化学反応装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to
The goal is to realize a low-cost and highly reliable reaction process, and in particular, by effectively utilizing the power of the laser beam, which accounts for the highest price, it is a simple method that can improve the photochemical reaction efficiency with respect to laser output. The object of the present invention is to provide a laser photochemical reaction device.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザビーム
を集光して原料物質が存在する反応領域に導入し、原料
物質の光吸収特性を用いて所望の反応を行うためのレー
ザ光化学反応装置において、レーザビームを集光するた
めの第一の光学系の焦点位置の後方にレーザビームを再
集光するための第二の光反射体からなる光学系を設け、
更に第二の光学系に対向する位置に第三の光反射体から
なる光学系を設置し、第二、第三の光学系の間でレーザ
ビームを多重反射させ、かつ第一、第二、第三の光学系
による集光レーザビームがその集光位置で二回以上重畳
する構成とし、これら三種の光学系は全て反応容器内に
設置され、被反応原料物質はレーザエネルギ密度が光化
学反応に要求されるクリティカルフルーエンス以上の値
が得られている領域にのみ存在するようレーザ光軸と直
交する方向に流通し、レーザエネルギ密度がクリティカ
ルフルーエンス以下の領域はレーザ光を吸収しない空間
とするレーザ光化学反応装置であり、これによってレー
ザ発振器から取り出されたレーザエネルギの大半を光化
学反応に有効に利用し、かつ強いレーザエネルギ密度に
よる光学部品の破壊等の無い高い信頼性を有する装置を
提供するものである。
[Means for Solving the Problems] The present invention provides a laser photochemical reaction in which a laser beam is focused and introduced into a reaction region where a raw material exists, and a desired reaction is carried out using the light absorption characteristics of the raw material. In the apparatus, an optical system including a second light reflector for refocusing the laser beam is provided behind the focal position of the first optical system for concentrating the laser beam,
Furthermore, an optical system consisting of a third light reflector is installed at a position facing the second optical system, and the laser beam is multiple-reflected between the second and third optical systems, and the first, second, and The laser beam focused by the third optical system is configured to overlap twice or more at the focused position, and all three types of optical systems are installed in the reaction vessel, and the laser energy density of the raw material to be reacted is such that the photochemical reaction takes place. Laser photochemistry that flows in a direction perpendicular to the laser optical axis so that it exists only in the region where the value above the required critical fluence is obtained, and the region where the laser energy density is below the critical fluence is a space that does not absorb laser light. This is a reaction device that effectively uses most of the laser energy extracted from the laser oscillator for photochemical reactions, and provides a highly reliable device that does not damage optical components due to strong laser energy density. be.

【0009】[0009]

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。まず、本発明
のレーザ光化学反応装置における光学系の原理を図2を
用いて説明する。図2においては、3種の光学系の配置
とその座標系が示されており、あわせてレーザビーム1
の中心光軸の軌跡が5パス目まで示されている。本図で
は、典型的な条件として、レンズ2の焦点のX座標の値
と2枚の球面鏡3、4のそれぞれの曲率中心のX座標の
値の全てがfである場合を示している。すなわち、レン
ズ主点位置の座標は(0,0)であり、その焦点距離は
fであり、球面鏡3の中心座標(X1 ,Y1 )は(
f,Y1 )であり、その曲率半径R1 はfであり、
球面鏡4の中心座標(X2 ,Y2 )は(f,Y2 
)であり,その曲率半径R2 はfである。なお、各球
面鏡3、4の焦点距離は曲率半径R1 ,R2 の1/
2の値で与えられる。
[Operation] The present invention will be explained in detail below. First, the principle of the optical system in the laser photochemical reaction device of the present invention will be explained using FIG. In FIG. 2, the arrangement of three types of optical systems and their coordinate systems are shown, and the laser beam 1
The locus of the central optical axis is shown up to the fifth pass. In this figure, as a typical condition, the case where the value of the X coordinate of the focal point of the lens 2 and the value of the X coordinate of the centers of curvature of each of the two spherical mirrors 3 and 4 are all f. That is, the coordinates of the lens principal point position are (0, 0), its focal length is f, and the center coordinates (X1, Y1) of the spherical mirror 3 are (
f, Y1), and its radius of curvature R1 is f,
The center coordinates (X2, Y2) of the spherical mirror 4 are (f, Y2
), and its radius of curvature R2 is f. Note that the focal length of each spherical mirror 3, 4 is 1/ of the radius of curvature R1, R2.
It is given as a value of 2.

【0010】まず初めに、2枚の球面鏡3、4でレンズ
2を通過したレーザビーム101(入射ビーム)が損失
することなく多重反射を開始するための条件としては、
球面鏡3で初めに反射されたレーザビーム102が球面
鏡4に到達する際に、その光軸中心のY座標値がレンズ
2を通過した際のY座標値(Y=0)よりも入射ビーム
の直径分だけずれていることが必要である。従って、入
射ビームの直径をDとした場合、この球面鏡3の曲率中
心のY座標の値(Y1 )の条件としては、Y1 ≦−
(D/4) が与えられる。
First of all, the conditions for the laser beam 101 (incident beam) that has passed through the lens 2 by the two spherical mirrors 3 and 4 to start multiple reflection without loss are as follows.
When the laser beam 102 first reflected by the spherical mirror 3 reaches the spherical mirror 4, the Y coordinate value of the center of the optical axis is smaller than the Y coordinate value (Y=0) when it passes through the lens 2, which is the diameter of the incident beam. It is necessary to deviate by the same amount. Therefore, when the diameter of the incident beam is D, the condition for the Y coordinate value (Y1) of the center of curvature of this spherical mirror 3 is Y1 ≦-
(D/4) is given.

【0011】そして、この際に、球面鏡3から球面鏡4
へ一度目に行くビームの焦点位置での光軸のY座標の値
(Ycmin)は2Y1 で与えられ、この後の多重反
射における焦点位置での光軸のY座標の値(Yc )は
、球面鏡4の曲率中心のY座標の値(Y2 )の設定を
適当な値に選ぶことにより、 Ycmin≦Yc ≦0 の間で適宜変化させることができる。ここで、焦点位置
でレーザビームを逐次重畳させるための条件は、上記球
面鏡4の曲率中心のY座標値(Y2 )の設定によって
決定される多重反射における焦点位置での光軸のY座標
値(Yc )の変化量と、集光ビームの直径との兼ね合
いで決定されるが、一般的な条件下では下記の範囲で与
えられる。 −(D/2)≦Y1 ≦−(D/4)
At this time, from the spherical mirror 3 to the spherical mirror 4
The Y-coordinate value (Ycmin) of the optical axis at the focal position of the beam that goes to the first stage is given by 2Y1, and the Y-coordinate value (Yc) of the optical axis at the focal position in subsequent multiple reflections is given by the spherical mirror. By selecting an appropriate value for the Y coordinate value (Y2) of the center of curvature of No. 4, it is possible to appropriately change the Ycmin≦Yc≦0. Here, the conditions for sequentially superimposing the laser beams at the focal position are the Y-coordinate value (Y2) of the optical axis at the focal position in multiple reflections determined by the setting of the Y-coordinate value (Y2) of the center of curvature of the spherical mirror 4 ( It is determined based on the balance between the amount of change in Yc ) and the diameter of the condensed beam, but under general conditions it is given in the following range. -(D/2)≦Y1≦-(D/4)

【0012】次に、上記球面鏡4の曲率中心のY座標の
値(Y2 )の設定について、幾何光学上の光線追跡法
により、R1 =R2 =X1 =X2 =f=1,5
00mm、D=31mm、Y1 =−8mmの条件につ
いてシミュレーションを行った。計算結果は、レーザビ
ームの集光・拡散状況を表示するため、ビームの両外縁
部の2本の軌跡で1本のレーザビームを表すように表示
した。なお、この計算は幾何光学上のものであり、集光
点近傍でのビーム径は現実のものより過小評価となって
いる。
Next, regarding the setting of the Y coordinate value (Y2) of the center of curvature of the spherical mirror 4, R1 = R2 = X1 = X2 = f = 1,5 using the ray tracing method in geometric optics.
A simulation was performed under the following conditions: 00mm, D=31mm, and Y1=-8mm. The calculation results were displayed so that one laser beam was represented by two trajectories at both outer edges of the beam in order to display the convergence and diffusion status of the laser beam. Note that this calculation is based on geometric optics, and the beam diameter near the focal point is underestimated compared to the actual one.

【0013】図3(a)は、Y2 =1.25Y1 の
際の計算結果であり、図中レーザビームに付加した番号
1i(iは2桁の数字で、図3中では01〜10である
)はi番目の反射パスに相当する。この条件では、Yc
 の値は0とYcminの間隔を四分割した5点の値を
2度ずつとり10パス目で入射光軸と一致してレンズを
介して入射側へ戻る。一例として、図3(a)の条件で
、集光ビームの直径が8mmの場合を考えると、Ycm
in=−16mmであることから、Yc の値は0、−
4mm、−8mm、−12mm、−16mmの5種の値
を2回ずつとる結果、Y方向16mmの領域(−16m
m≦Y≦0mm)にわたって4回ずつのビーム重畳が得
られ、両端の4mmずつ(0mm≦Y≦4mm、−20
mm≦Y≦−16mm)の計8mmの領域で2回ずつの
ビーム重畳が得られる。図3(b)は多重反射重畳の起
きている領域を拡大して模式的に示した図である。なお
、この重畳の状況はY2 /Y1 の比を一定とし、Y
1 の値を変化させることで、適宜制御することができ
るが、必ず2回以上の重畳が発生することは明かである
FIG. 3(a) shows the calculation results when Y2 = 1.25Y1, and the number 1i added to the laser beam in the figure (i is a two-digit number, 01 to 10 in FIG. 3). ) corresponds to the i-th reflection path. Under this condition, Yc
For the value of , the value of 5 points obtained by dividing the interval between 0 and Ycmin into four is taken twice each time, and in the 10th pass, it coincides with the incident optical axis and returns to the incident side via the lens. As an example, if we consider the case where the diameter of the condensed beam is 8 mm under the conditions of Fig. 3(a), Y cm
Since in=-16mm, the value of Yc is 0, -
As a result of taking five values twice each: 4 mm, -8 mm, -12 mm, and -16 mm, an area of 16 mm in the Y direction (-16 mm
Four beam superpositions were obtained over m≦Y≦0 mm), and 4 mm each at both ends (0 mm≦Y≦4 mm, -20
Two beam superpositions are obtained in a total area of 8 mm (mm≦Y≦−16 mm). FIG. 3(b) is an enlarged diagram schematically showing a region where multiple reflections and superpositions occur. Note that this superposition situation assumes that the ratio of Y2 /Y1 is constant and that Y
Although it can be controlled appropriately by changing the value of 1, it is clear that overlapping occurs two or more times.

【0014】次に、レーザビームを多重反射させてその
焦点位置で重畳させることが、多段階で異なる位置に焦
点を結ばせることよりも有利であるという理由について
説明する。便宜的にレーザビームが正方形形状であり、
かつ原料気体によるレーザエネルギの吸収が無いものと
仮定し、上記の例で示した1パスでの焦点位置でのフル
ーエンスがクリティカルフルーエンスの1/4であると
する。また、焦点深度が上記の数値設定において300
mmであると仮定すると、この条件での反応体積は4回
の重畳が起きている8mm×16mm×300mm=3
8.4cm3 となる。これに対して1回の集光でクリ
ティカルフルーエンスを得ようとすると、集光ビームの
直径は焦点距離に比例するので、集光レンズの焦点距離
を半分の値にする必要が生じ、集光ビーム形状は4mm
×4mm、焦点深度は焦点距離の二乗に比例するので7
5mmとなる。この領域を上記の10パス重畳に相当さ
せるため、10箇所の領域で作ったとしてもその全体反
応体積は4mm×4mm×75mm×10=12cm3
 であり、前者の方が後者に対して3倍以上の大きな値
となる。更に、原料気体によるレーザエネルギの吸収が
無視出来ない場合にはその差異はより大きくなる。以上
の計算においては、レーザビームの伝搬遅延は無視した
仮定で計算を行ったが、上記の数値例においては1パス
目と10パス目の焦点位置における伝搬遅延は90ns
ec.であり、赤外多光子励起に用いられるパルス炭酸
ガスレーザの典型的なパルス幅と同等であるので、この
程度の伝搬遅延は反応特性に大きな影響は及ぼさない。
Next, the reason why multiple reflection of a laser beam and superimposition at the focal position is more advantageous than focusing the laser beam at different positions in multiple stages will be explained. For convenience, the laser beam has a square shape,
Further, it is assumed that there is no absorption of laser energy by the source gas, and that the fluence at the focal position in one pass shown in the above example is 1/4 of the critical fluence. Also, the depth of focus is 300 with the above numerical settings.
mm, the reaction volume under this condition is 8 mm x 16 mm x 300 mm = 3 where 4 times of superposition has occurred.
It becomes 8.4cm3. On the other hand, if you try to obtain critical fluence with one focusing, the diameter of the focused beam is proportional to the focal length, so it becomes necessary to reduce the focal length of the focusing lens to half the value, and the focused beam becomes The shape is 4mm
×4mm, since the depth of focus is proportional to the square of the focal length, 7
It will be 5mm. In order to make this region correspond to the above 10-pass superposition, even if it is made from 10 regions, the total reaction volume is 4 mm x 4 mm x 75 mm x 10 = 12 cm3
The former is more than three times larger than the latter. Furthermore, if the absorption of laser energy by the source gas cannot be ignored, the difference becomes even larger. In the above calculation, the propagation delay of the laser beam was ignored. However, in the numerical example above, the propagation delay at the focal position of the 1st and 10th passes is 90 ns.
ec. This is equivalent to the typical pulse width of a pulsed carbon dioxide laser used for infrared multiphoton excitation, so this degree of propagation delay does not have a large effect on the reaction characteristics.

【0015】以上の例においては、焦点近傍で多重反射
重畳を実現することにより反応領域の拡大を図ったが、
反応領域を一定に保ちレーザパワーを減少させることも
可能である。一般のパルス放電型気体レーザにおいては
、レーザ出力をその限界値よりも下げれば、レーザガス
、高電圧スイッチ、電極、電源等の寿命が出力の減少分
の逆数よりもはるかに伸びるので、消耗品費を含めたレ
ーザランニングコストは大幅に改善されるので、反応効
率の改善と共に廉価な工程の実現に有効である。
In the above example, the reaction area was expanded by realizing multiple reflections and superposition near the focal point, but
It is also possible to keep the reaction area constant and reduce the laser power. For general pulsed discharge gas lasers, if the laser output is lowered below its limit value, the lifespan of the laser gas, high voltage switch, electrodes, power supply, etc. will be much longer than the reciprocal of the decrease in output, so consumables costs will be increased. Since the laser running cost including the above is significantly improved, it is effective in improving the reaction efficiency and realizing a low-cost process.

【0016】次に、被反応原料物質を要求されるクリテ
ィカルフルーエンス以上の領域に限定してレーザ光軸と
直交する方向に流通させる根拠とその実現の方法につい
て説明する。従来技術欄において説明したように、赤外
多光子吸収を用いた光化学反応においては、レーザエネ
ルギ密度がクリティカルフルーエンス以下に減少すると
、指数関数的に反応効率が低下する。しかるにレーザエ
ネルギ吸収率はレーザフルーエンスにはあまり依存しな
い。一例として、上記の数値例の多重反射重畳反応系に
おいては、1パス当りの反応領域長は30cmであるの
に対して、非反応領域長は270cmにも及ぶ。仮にレ
ーザエネルギ吸収率を0.2%/cmとすると反応領域
でのエネルギ吸収率は5.8%であるのに対して、非反
応領域でのエネルギ吸収率は41.7%にも及び、多重
反射によって重畳する効果が殆ど無くなってしまう。 従って、非反応領域はレーザ光を吸収しない空間とする
必要がある。ここで、最も簡単な方法は上記の反応領域
長に一致した長さの反応器を多重反射重畳の得られてい
る所に設置する方法であるが、前述のごとくクリティカ
ルフルーエンスが高い場合、レーザ光入射用の窓材の破
損の問題があるため実現できない。
[0016] Next, the rationale for restricting the raw material to be reacted to a region exceeding the required critical fluence and flowing it in a direction perpendicular to the laser optical axis and the method for realizing this will be explained. As explained in the prior art section, in photochemical reactions using infrared multiphoton absorption, when the laser energy density decreases below the critical fluence, the reaction efficiency decreases exponentially. However, the laser energy absorption rate does not depend much on the laser fluence. As an example, in the multiple reflection superposition reaction system of the above numerical example, the length of the reaction region per pass is 30 cm, while the length of the non-reaction region is as much as 270 cm. If the laser energy absorption rate is 0.2%/cm, the energy absorption rate in the reaction area is 5.8%, while the energy absorption rate in the non-reaction area is as high as 41.7%. Due to multiple reflections, the superimposing effect is almost eliminated. Therefore, the non-reactive area needs to be a space that does not absorb laser light. Here, the simplest method is to install a reactor with a length that matches the reaction region length above in a place where multiple reflections and superpositions are obtained, but as mentioned above, if the critical fluence is high, the laser beam This cannot be realized due to the problem of damage to the entrance window material.

【0017】そこで、この問題を解決するため鋭意検討
した結果、真空中で被反応原料気体を200mm以内程
度の長さにわたって流通させる場合、10mm/sec
.以上の比較的高速流で層流を形成してやれば、特に隔
壁を設けること無くをの拡散を抑えることができること
が判明した。更に、前記層流の両端部にそれより正圧に
保たれた別種の気体の層流を形成することで、より厳密
に中心部分の流域を限定することが可能であることがわ
かった。ここで、別種の気体を添加する場合には、回収
される反応生成物と被反応原料の混合物にこの気体が混
入することとなるため、反応生成物とこの気体との反応
を防止するため、不活性ガスであることが必要である。 また、気体の層流の形成は気体の噴出口の形状をスロー
ト形状とすることで実現できるものである。
Therefore, as a result of intensive studies to solve this problem, we found that when the raw material gas to be reacted is circulated over a length of about 200 mm or less in vacuum, the flow rate is 10 mm/sec.
.. It has been found that by forming a laminar flow using the above-mentioned relatively high-speed flow, it is possible to suppress the diffusion of particles without particularly providing partition walls. Furthermore, it has been found that by forming a laminar flow of a different type of gas maintained at a more positive pressure at both ends of the laminar flow, it is possible to more precisely limit the flow area in the central portion. Here, if a different type of gas is added, this gas will be mixed into the mixture of the reaction product and reacted raw material to be recovered, so in order to prevent the reaction product from reacting with this gas, It is necessary to use an inert gas. Further, formation of a laminar flow of gas can be realized by making the shape of the gas jet port into a throat shape.

【0018】反応領域の形状は上記の多重反射重畳の説
明で示したごとく、概略直方体の形状をしており、レー
ザ光軸方向に最も長く、それと直交する面内では何れの
方向でも前者に比べてかなり短い。従って、被反応原料
気体の拡散を防止するためには、短辺方向、すなわちレ
ーザ光軸と直交する方向でガスを流通させる必要がある
。更に、以上の構成とすることで、反応器内に設置され
た三種の光学系の近傍には被反応原料物質が到達しない
ので、反応生成物による光学部品の汚損の問題も無い。
As shown in the explanation of multiple reflection superposition above, the shape of the reaction region is approximately a rectangular parallelepiped, and it is longest in the direction of the laser optical axis, and in any direction perpendicular to it, it is shorter than the former. It's quite short. Therefore, in order to prevent the reaction material gas from diffusing, it is necessary to flow the gas in the short side direction, that is, in the direction orthogonal to the laser optical axis. Furthermore, with the above configuration, the raw materials to be reacted do not reach the vicinity of the three types of optical systems installed in the reactor, so there is no problem of contamination of optical components by reaction products.

【0019】なお、前記図2、図3においては、第一の
光学系としてレンズ2を使用した例を示したが、これは
球面鏡もしくは軸外し放物面鏡等の光反射体でもよく、
また、第二、第三の光学系についてはそれぞれ凹面の球
面鏡3、4を使用した例を示したが、コリメータ凸レン
ズと平面鏡の組合せを用いてもよい。
Although FIGS. 2 and 3 show examples in which the lens 2 is used as the first optical system, this may also be a light reflector such as a spherical mirror or an off-axis parabolic mirror.
Although the second and third optical systems use concave spherical mirrors 3 and 4, respectively, a combination of a collimator convex lens and a plane mirror may be used.

【0020】[0020]

【実施例】以下、実施例に基づいて、本発明によるレー
ザ光化学反応装置を具体的に説明する。図1は本発明の
レーザ光化学反応装置の一実施例を示した構成図である
。反応器5に導入されるレーザビーム1の軌跡は、多重
反射状況をわかり易く表示するため、光軸中心の線(1
01〜105)によって表現した。レーザビーム1は図
示されないレーザ発振器から出力された正方形形状(D
=31mm)のパルスTEA  CO2 レーザビーム
(出力2J/パルス)であり、表面でのレーザパワーの
反射損失を防止するため両面に無反射コーティングがほ
どこされたZnSe製集光レンズ2(焦点距離f=1.
5m)で集光される。ここで集光レンズ2は反応器内部
と大気とを遮断するための窓材としての機能を兼ねてい
る。反応器5内に導入されたレーザビーム1は、焦点を
結んだ後、球面鏡3(銅製、金コート、R1 =1.5
m)により反射され、再度反応器5の中心近傍で結んだ
後、球面鏡4(銅製、金コート、R2 =1.5m)に
到達する。その後、2枚の球面鏡3、4間で多重反射を
繰り返し、反応器5の中心近傍で重畳が実現される。被
反応原料気体6は、図示されない圧力調整器によって調
整された圧力で反応器5の側面からスロート形状を持っ
たガス噴出口8から反応器5内に供給され、レーザ照射
を受けた後、ガス吸引口9から反応生成物と共に反応器
5から取り出され、図示されない分離・回収装置によっ
て反応生成物がその他の物質から分離される。不活性ガ
ス7は、その供給口8から反応器5内に導入され、吸引
口9から取り出され、精製された後、再び循環使用され
る。
EXAMPLES Hereinafter, the laser photochemical reaction apparatus according to the present invention will be specifically explained based on examples. FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the laser photochemical reaction device of the present invention. The trajectory of the laser beam 1 introduced into the reactor 5 is a line centered on the optical axis (1
01 to 105). The laser beam 1 has a square shape (D
= 31 mm) pulsed TEA CO2 laser beam (output 2 J/pulse), and a ZnSe condenser lens 2 (focal length f = 1.
5m). Here, the condenser lens 2 also functions as a window material for blocking the inside of the reactor from the atmosphere. After the laser beam 1 introduced into the reactor 5 is focused, it passes through a spherical mirror 3 (copper, gold coated, R1 = 1.5
m), and after connecting again near the center of the reactor 5, it reaches the spherical mirror 4 (copper, gold coated, R2 = 1.5 m). Thereafter, multiple reflections are repeated between the two spherical mirrors 3 and 4, and superposition is realized near the center of the reactor 5. The raw material gas 6 to be reacted is supplied into the reactor 5 from the side of the reactor 5 through a throat-shaped gas outlet 8 at a pressure adjusted by a pressure regulator (not shown), and after being irradiated with a laser, the gas is The reaction product is taken out from the reactor 5 through the suction port 9, and the reaction product is separated from other substances by a separation/recovery device (not shown). The inert gas 7 is introduced into the reactor 5 through the supply port 8, taken out through the suction port 9, purified, and recycled again.

【0021】以上に示した反応装置を用いて、f=R1
 =R2 =X1 =X2 =1.5m、Y1 =−8
mm、Y2 =−10mmとし、集光ビーム径が8mm
で4回ずつの重畳が起きる系を構成した。そして、炭酸
ガスレーザの発振ラインを9P(22)(1045.0
2cm−1)に設定して、被反応原料気体6として70
torrのCHClF2 を20mm/sec.で反応
器5内に流通させ、更に不活性ガス7として75tor
rのArを同一速度で流通させてレーザ照射を行い、炭
素13の同位体濃縮を行った。その結果、レーザエネル
ギの約80%が有効に消費され、1パルス当りの反応効
率として、13C2F4 が7.5×10−8mol生
成された。また、比較のために異なる点への10回の多
段集光を行って反応効率を調べた結果、2×10−8m
ol/パルスという値が得られた。従って、本発明によ
り、単位レーザパルスエネルギ当りの反応効率は従来技
術に比べて3倍以上に改善されたことが判明した。
Using the reaction apparatus shown above, f=R1
=R2 =X1 =X2 =1.5m, Y1 =-8
mm, Y2 = -10 mm, and the focused beam diameter is 8 mm.
We constructed a system in which superposition occurs four times each. Then, set the oscillation line of the carbon dioxide laser to 9P (22) (1045.0
2cm-1) and 70% as the raw material gas 6 to be reacted.
torr of CHClF2 at 20 mm/sec. 75 torr as an inert gas 7.
Laser irradiation was performed while r of Ar was flowing at the same speed, and carbon-13 isotope enrichment was performed. As a result, about 80% of the laser energy was effectively consumed, and 7.5 x 10-8 mol of 13C2F4 was produced as a reaction efficiency per pulse. In addition, for comparison, the reaction efficiency was investigated by performing multistage light focusing 10 times at different points, and the results showed that
A value of ol/pulse was obtained. Therefore, it has been found that the present invention improves the reaction efficiency per unit laser pulse energy by more than three times as compared to the prior art.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上に説明したごとく、本発明によれば
、レーザビームによる光化学反応工程の中で最も高い価
格を占めるレーザビームのパワーを有効に利用すること
ができ、レーザエネルギに対する光化学反応効率の改善
、並びにレーザの各種の費用の低減が可能であり、更に
高いレーザエネルギ密度に起因する光学部品の破損の問
題も解消されるので、低コストで高い信頼性を有するレ
ーザ光化学反応工程を実現できる利点を有する。
As explained above, according to the present invention, the power of the laser beam, which accounts for the highest cost in the photochemical reaction process using a laser beam, can be effectively used, and the photochemical reaction efficiency with respect to laser energy can be improved. This makes it possible to improve the performance and reduce various costs of lasers, and also eliminates the problem of damage to optical parts caused by high laser energy density, realizing a low-cost and highly reliable laser photochemical reaction process. It has the advantage of being able to

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明のレーザ光化学反応装置の一実施例を示
す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a laser photochemical reaction device of the present invention.

【図2】本発明のレーザ光化学反応装置における多重反
射重畳系を構成する光学系の原理を説明するための模式
図である。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of the optical system that constitutes the multiple reflection superimposition system in the laser photochemical reaction device of the present invention.

【図3】(a)は、本発明におけるレーザ集光状況を典
型的な条件下で計算した結果を示すグラフ図、(b)は
多重反射重畳の起きている領域を拡大して模式的に示し
た説明図である。
[Figure 3] (a) is a graph showing the results of calculating the laser condensation situation in the present invention under typical conditions, and (b) is a schematic enlarged view of the region where multiple reflections and superpositions occur. FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1    レーザビーム 101〜110  多重反射レーザビーム2    集
光レンズ 3    球面鏡 4    球面鏡 5    反応器 6    被反応原料気体 7    不活性ガス 8    ガス供給口 9    ガス吸引口
1 Laser beams 101 to 110 Multiple reflection laser beam 2 Condensing lens 3 Spherical mirror 4 Spherical mirror 5 Reactor 6 Raw material gas to be reacted 7 Inert gas 8 Gas supply port 9 Gas suction port

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  レーザビームを集光して原料物質が存
在する反応領域に導入し、原料物質の光吸収特性を用い
て所望の反応を行うためのレーザ光化学反応装置におい
て、レーザビームを集光するための第一の光学系の焦点
位置の後方にレーザビームを再集光するための第二の光
反射体からなる光学系を設け、更に第二の光学系に対向
する位置に第三の光反射体からなる光学系を設置し、第
二、第三の光学系の間でレーザビームを多重反射させ、
かつ第一、第二、第三の光学系による集光レーザビーム
がその集光位置で二回以上重畳する構成とし、これら三
種の光学系は全て反応容器内に設置され、被反応原料物
質はレーザエネルギ密度が光化学反応に要求されるクリ
ティカルフルーエンス以上の値が得られている領域にの
み存在するようレーザ光軸と直交する方向に流通し、レ
ーザエネルギ密度がクリティカルフルーエンス以下の領
域はレーザ光を吸収しない空間とすることを特徴とする
レーザ光化学反応装置。
[Claim 1] A laser photochemical reaction device that focuses a laser beam and introduces it into a reaction region where a source material is present, and performs a desired reaction using the light absorption characteristics of the source material. An optical system consisting of a second light reflector for refocusing the laser beam is provided behind the focal position of the first optical system for An optical system consisting of a light reflector is installed, and the laser beam is multiple-reflected between the second and third optical systems.
In addition, the laser beams focused by the first, second, and third optical systems overlap each other twice or more at their focusing positions, and all three types of optical systems are installed in the reaction vessel, and the raw materials to be reacted are The laser beam is distributed in a direction perpendicular to the laser optical axis so that it exists only in the area where the laser energy density is higher than the critical fluence required for photochemical reaction, and the laser beam is distributed in the area where the laser energy density is lower than the critical fluence. A laser photochemical reaction device characterized by a non-absorbing space.
【請求項2】  レーザ光を吸収しない空間が真空であ
る請求項1記載のレーザ光化学反応装置。
2. The laser photochemical reaction device according to claim 1, wherein the space that does not absorb laser light is a vacuum.
【請求項3】  レーザ光を吸収しない空間が被反応原
料物質より正圧に保たれた不活性ガス流である請求項1
記載のレーザ光化学反応装置。
[Claim 3] Claim 1, wherein the space that does not absorb laser light is an inert gas flow maintained at a more positive pressure than the raw material to be reacted.
The laser photochemical reaction device described.
【請求項4】  第一の光学系がレンズ、球面鏡、軸外
し放物面鏡の何れかであり、第二、第三の光学系は球面
鏡もしくはレンズと平面鏡の組合せからなる請求項1記
載のレーザ光化学反応装置。
4. The optical system according to claim 1, wherein the first optical system is a lens, a spherical mirror, or an off-axis parabolic mirror, and the second and third optical systems are a spherical mirror or a combination of a lens and a plane mirror. Laser photochemical reaction device.
JP10816791A 1991-04-15 1991-04-15 Laser beam chemical reaction device Withdrawn JPH04317737A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100337623B1 (en) * 1998-11-10 2002-05-24 모리 마코토 Apparatus for Photoreaction

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