JPH0518611B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 レーザー光を使つて同位体を分離する分野で
は、ウラニウムのような種々の同位体からなる蒸
気にレーザー光を当てて光電離を起させ、次にイ
オン化された成分を抽出してテールス・プレート
（tails plate）とプロダクト・プレート（product
plate）の２組の基板上に析出させて同位体を選
択的に分離する方法がとられている。通常、テー
ルス・プレートは冷却されており、プロダクト・
プレートは析出する物質の温度と抽出イオン電流
のために熱さられる。テールス・プレートには分
離しようとする同位体が欠乏した組成のものが析
出され、プロダクト・プレートには分離しようと
する同位体が濃縮された組成のものが析出され
る。実際の装置では、２組の基板上への蒸気粒子
の析出は十分な量の物質が析出されるまで継続さ
れ、その後基板が取り出されて析出された物質を
基板から剥がす。こうして濃縮された同位体と分
離しようとする同位体が欠乏した部分とが回収さ
れる。基板上への物質の析出が進行すると、析出
物の質量が増大すること及びその他の要因から、
もし析出物が基板にしつかりと付着していない
と、析出物が基板から剥離して脱落することがあ
る。

従来は、析出物が基板から剥離することがない
ように、テールス・プレートをかなり高温、例え
ば450℃以上、で作動させることが普通であつた。
テールス・プレートの温度が450℃であると、プ
ロダクト・プレートの作動温度はもつと高くな
る。従来の装置については米国特許第4210814号、
ジヨン・クリフオード“CONTROL OF
PYROPHORICITY IN DEPOSITS
PRODUCED BY ELECTRON BEAM
EVAPORATION OF URANIUM”（1980年７
月１日）に詳しく説明されている。

基板を上述のような高温で作動させることは、
基板が高温になると歪曲する傾向があり、そのた
め基板の配列が乱れて装置が具合よく操作しなく
なるので、好ましくない。もつと大きな欠点は、
基板の作動中の温度が高いと、１工程の開始時、
終了時や工程途中での不可避的な操作停止時の温
度と作動中の温度との差が大きく、この温度変化
が大きいと析出物は基板から剥がれてしまうこと
である。また、従来の装置ではテールス・プレー
トがプロダクト・プレートからの輻射熱を吸収す
る機能をもたない。この輻射による熱伝達が貧弱
であると、プロダクト・プレートを冷却するため
に沸点の高い流体を冷却剤として使わなければな
らず、そのためにはこれを通すための冷却管を設
けなければならず構造が複雑となる。

本発明によつて分かつたことは、析出をもつと
低い基板温度で行うと蒸気からの析出物が基板に
しつかり付着すること、及び、基板の表面を荒く
してから洗浄、乾燥し、また基板の予熱を行うと
析出中及び工程中の温度変化に際しても析出物が
基板によく付着し、空気中に出して析出物を基板
から剥ぎとるとき剥ぎとり易いことである。全工
程を低温で行う本発明では、析出中に析出物にひ
び割れが入ることなく、析出物は基板によく付着
する。また本発明ではプロダクト・プレートの冷
却を輻射による放熱で行うのでプロダクト・プレ
ートの構造は簡単でよく、複雑で高価な冷却管の
配設や冷却液を必要としない。

本発明ではテールス・プレートの温度は比較的
低いので、テールス・プレート及び側面の遮へい
板にはアルフア相のウラニウムが析出する。テー
ルス・プレート及び側面の遮へい板の温度は液冷
方式を使つて150℃〜170℃に保たれる。テール
ス・プレート及び側面の遮へい板が工程の最初か
ら最後まで比較的低い温度に保たれるので、プロ
ダクト・プレートを冷却するのに熱輻射による方
法を使うことができる。

プロダクト・プレートは、ウラニウム蒸気の凝
縮熱とイオン電流×抽出電圧できまる熱とが与え
られるが、150℃〜170℃に保たれているテール
ス・プレート及び側面の遮へい板に輻射によつて
熱が奪われるので、結局450℃〜600℃の温度に保
たれる。プロダクト・プレートにもこの温度で
は、もつと高い温度の場合に析出するベータ相の
ウラニウムではなく、それより熱膨張係数の小さ
いアルフア相のウラニウムが固体状で析出する。
析出温度が低いと作動時と待機時の温度差による
変化は小さく、析出物に剥離などが生じることは
ない。本発明による方法はウラニウムに限らず、
熱膨張係数の異なる２相を有する物質に対し適用
することができる。

本発明の特徴の１つは、析出物を付着させる基
板の表面から予め不純物を取り去つて析出原子の
付着をよくすることである。

１つの好ましい実施例では、基板を適当な時間
予熱して、基板表面から不純物を蒸発させて除去
する。予熱温度はプロダクト・プレートの作動時
の温度よりずつと低く、本発明では150℃〜170℃
で、予熱時間は15分〜４時間である。予熱が終了
するとテールス・プレートはその後の析出時もこ
の予熱温度かまたはそれより少し高い温度に保
つ。予熱時及び析出時、基板の周囲は少くとも
10^-4Torrの高真空に保つ。

基板は、ウラニウム濃縮室内に設置する前に、
サンドブラストされ、洗浄されて乾燥される。サ
ンドブラストするのは基板の表面を荒くして小さ
な凹凸をつくるためである。その理由は、ウラニ
ウム蒸気は一方向から飛来し「峰」には付着し、
「谷」には付着しないからである。付着した析出
物は網目になつて、基板との間に微視的な空洞や
トンネルをつくる。析出物を空気にさらすと、酸
素分子が空洞やトンネルの中に入り込んでウラニ
ウム原子に付着する。酸素分子が付着したウラニ
ウム原子が存在する部分は壊れ易くなり、この部
分が境界となつて析出されたウラニウムが基板か
ら剥がれ易くなる。洗浄し、乾燥するのはサンド
ブラストによつて生じた表面の汚れを除くため
で、従つて、サンドブラストし、洗浄し、乾燥す
ることによつて、析出物の基板への付着をよくす
るとともに、析出後、析出物を基板から回収し易
くする。研磨または化学薬品によるエツチングで
凹凸をつける方法も使われる。

本発明は蒸気から析出した物質を簡単な装置を
使つて低温で収集する方法と装置に関するもの
で、特に本発明はレーザー光を使つてウラニウム
などの同位体を分離する際に有用である。

第１図は本発明の原理をウラニウムの同位体分
離の場合に対して示したものである。ウラニウム
蒸気は、熔融ウラニウムの表面に強い電子ビーム
を照射することにより得られる。蒸発したウラニ
ウムは薄い電極が並んだ領域に向つて進み、大部
分は電極の間を通り抜けるが、蒸発の過程でまた
は光電離によつて選択的にイオン化された粒子は
電極に捕えられる。第１図で任意の時点10（これ
を時刻０とする）で熔融ウラニウムに電子ビーム
が当てられ、曲線１２に従つてウラニウムの温度
が上昇して約3000℃の沸点に達する。熔融ウラニ
ウムが熱せられると、蒸気からイオンを抽出する
ためのプロダクト・プレートの温度も曲線１４に
従つて上昇し、一般に450℃に達する。加熱中の
ある時刻１６で蒸発が開始して、蒸気は、曲線１
４に従つて熱せられているプロダクト・プレート
の上に凝縮する。

曲線１４が水平になる最終的のプロダクト・プ
レートの温度、一般には約450℃、はプロダク
ト・プレートへの付着がなされる最低温度として
分かつている。プロダクト・プレートは一般にタ
ングステンまたはステンレス・スチールでつくら
れる。

テールス・プレートを曲線１７で示されるよう
な比較的低温、一般に150℃〜170℃、で働かせる
ことは、テールス・プレートへの析出が良好だけ
ではなく、テールス・プレートに輻射熱を奪われ
るために最高600℃で動作するプロダクト・プレ
ートへの析出も良好となることが分かつている。
これらの温度で析出するウラニウムはアルフア相
をもつが、もつと高温ではベータ相となる。ベー
タ相の方が熱膨張係数が大きい。

析出温度が低いために装置の待機時と作動時の
温度差が小さく、また析出物の熱膨張係数が小さ
いので、析出物にひび割れや剥離が起つて脱落す
るようなことはない。

好ましい１実施例では、テールス・プレートに
対し、所定の温度で第１図に示す時間１８の間予
熱して表面に付着している不純物を除去するとい
う前処理を施す。これをしないと、低温での析出
が阻害される。前処理の別の方法としてはイオン
を衝突させる方法もある。

予熱時間１８としては、15分から４時間の間が
満足すべき結果をもたらす。予熱温度は、１実施
例では150℃から170℃の間であつて、流体を使つ
てこの予熱を行う。流体としては空気、ヘリウ
ム、窒素などの気体か、飽和状態の水蒸気、油、
水銀または熔融ナトリウムなどの液体を使い、予
め熱してからテールス・プレートの中にあけた孔
の中を流すものである。

テールス・プレートの予熱にはウラニウム蒸気
源である熔融ウラニウムの持つている熱を使うこ
とも出来るが、この熔融ウラニウムは予熱時間１
８の間は沸点以下に保たれる。

予熱時間１８が終了する時刻１０において熔融
ウラニウムに十分なエネルギーが加えられて熔融
ウラニウムの表面温度が上昇すると蒸発が始ま
り、表面は最終の一定温度約3000℃になる。テー
ルス・プレートの温度は予熱温度よりも少し高い
程度に保ち、予熱温度よりも低くしてはいけな
い。この調節は公知の方法で行う。

テールス・プレートの表面温度を例えば180℃
に保つと、これはプロダクト・プレートに対し輻
射による丁度よい冷却効果をもたらす。プロダク
ト・プレートの温度は450℃〜600℃である。ウラ
ニウム蒸気の凝縮と同位体抽出のためのイオン電
流とでプロダクト・プレートには相当量の熱が与
えられるので、効果的な冷却機構が必要で、それ
には輻射による冷却がなされる。テールス・プレ
ートの表面温度を180℃（453〓）、プロダクト・
プレートの表面温度を600℃（873〓）とすると、
輻射により（873⁴−453⁴）に比例する熱がプロダ
クト・プレートから奪われる。

本発明の本質的な特徴は、一工程の開始時、終
了時や工程途中での不可避的な操作停止時におい
てテールス・プレート及びプロダクト・プレート
上の析出物にひび割れや剥離が生じないというこ
とである。基板を低温で作動させるということが
このことを可能にしている。

基板を低温で作動させることはプロダクト・プ
レートの輻射による放熱冷却を効果的にしてい
る。温度の低いテールス・プレートへの輻射によ
る熱伝達が行われないと、プロダクト・プレート
には冷却管またはヒート・パイプのような複雑な
熱伝達機構を設ける必要があり、これを設けなけ
ればプロダクト・プレート上の析出物は溶けてし
まう。

本発明を実施する装置を第２図に示す。ウラニ
ウム濃縮室２０が真空ポンプ２２によつて高真空
に保たれ、室２０内にはウラニウム２６が入つた
るつぼ２４が置かれて、このウラニウム２６に電
子ビーム源３０からの電子ビーム２８が磁界３２
によつて曲げられて照射される。磁界３２をつく
るコイルは通常室２０の外にあるが、図には示さ
れていない。電子ビーム２８はウラニウム２６の
表面の１点３４を通り図面に垂直な直線上に照射
焦点が合わせられており、この照射によりウラニ
ウム２６は蒸発する。るつぼ２４の上にイオン捕
獲電極３５が並べられてあり、電子装置３６から
電圧を供給されて、ウラニウム２６の蒸発時につ
くられたイオン粒子を捕獲する。電極３５の上に
イオン抽出領域３８があり、そこにプロダクト・
プレート４０があつてレーザー光によつて選択的
にイオン化された粒子を捕獲する。イオン化され
なかつた粒子は領域３８を通過してテールス・プ
レート４２上に付着する。テールス・プレート上
に付着析出したウラニウムには分離すべき同位体
は欠乏している。第２図に示したイオン捕獲電極
３５、プロダクト・プレート４０、テールス・プ
レート４２の形状と配置は１列であつて、他の様
式も可能である。

室２０の側面内側には遮へい板４４，４６が張
つてあり、これらの板とテールス・プレート４２
とは冷却孔５０内を流れる冷却液によつて冷却さ
れる。冷却温度は冷却制御装置４８によつて調節
される。遮へい板４４，４６とテールス・プレー
ト４２とはすべて同じ前処理を受けるので、ウラ
ニウムが付着析出しても、析出物表面との間の熱
伝達はよく輻射熱をよく吸収する。イオン捕獲電
極３５とプロダクト・プレート４０からの輻射を
よく吸収して電極３５とプロダクト・プレート４
０の冷却を効果的にしていることは重要なことで
ある。電極３５とプロダクト・プレート４０の冷
却は、ヘリウム、空気、窒素、飽和水蒸気、油、
水銀、ナトリウムなどの気体または液体を冷却剤
とする簡単な構造の冷却装置を補助として使つて
もよい。

第３図は本発明による方法の作業段階をフロー
チヤートで示したものである。５２は電極３５、
プロダクト・プレート４０及びテールス・プレー
ト４２に対し、これらをウラニウム濃縮室２０内
に挿入する前に実施するサンドブラスト、洗浄、
乾燥、または研磨や化学薬品によるエツチングな
どの前処理である。この前処理５２によつて電極
３５、プロダクト・プレート４０及びテールス・
プレート４２の表面から汚染物質が除去される。
またこの前処理５２は真空中における基板と析出
物との付着力を増大し、かつ空気中で析出物を基
板から剥がす場合、剥ぎとりを容易にする。前処
理５２がなされた電極３５、プロダクト・プレー
ト４０及びテールス・プレート４２は室２０内の
定位置に配設される。次の作業段階５４は排気
で、これによつて室２０が高真空になされる。排
気段階５４の次の作業段階５６において、低温で
の予熱が予熱時間１８の間なされる。この作業段
階５６での予熱はテールス・プレート４２と側面
の遮へい板４４，４６に対して、冷却孔５０に冷
却剤を流してなされるもので、これら４２，４
４，４６の温度は曲線１７に従つて変化して、テ
ールス・プレート４２はこの予熱によつて全体が
一様に150℃より少し高い一定温度を保つように
なされる。ステンレス・スチール上にウラニウム
を析出させる場合、通常予熱温度は170℃で予熱
時間は約５分から４時間の間である。150℃の予
熱温度では15分の予熱時間が適当である。150℃
以下の予熱温度では付着に対する効果がないこと
が分かつている。

予熱段階５６の次の作業段階５８で表されるウ
ラニウムの同位体分離がなされる。この作業段階
５８でレーザー光を照射されて選択的にイオン化
されたウラニウム同位体がプロダクト・プレート
４０に析出すると共に電極３５、テールス・プレ
ート４２にもウラニウムイオンや原子が析出す
る。この作業段階５８の間、電極３５とプロダク
ト・プレート４０との温度はテールス・プレート
４２と側面の遮へい板４４，４６への輻射による
放熱で曲線１４で示されるような一定温度に保た
れる。

基板上の析出物が所望量に達すると、室２０内
の圧力を元に戻してから電極３５、プロダクト・
プレート４０、テールス・プレート４２を室外に
取り出す。作業段階６０はこれらの取り出した基
板上の析出物に酸素を付着させる作業段階で、酸
素は特に析出物と基板との間につくられる空洞や
トンネルの部分に付着し、その部分がもろくなる
ので析出物を基板から剥離するのが容易になる。
次の作業段階６２は析出物を基板から剥離する作
業段階で、これには薬品を使つて剥離を促進する
手段も含まれる。

以上の説明は本発明の好ましい１実施例に対し
てなされたもので、本発明の技術的思想は特許請
求の範囲に記された通りである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の動作を説明するた
め要部の温度を時間に対して示す図；第２図は本
発明を実施する装置が設けられたレーザー光によ
るウラニウム濃縮室の断面図；第３図は本発明に
よる方法の作業段階をフローチヤートで示した図
である。 符号の説明、１０……時刻０の時点、１２……
熔融ウラニウムの温度、１４……プロダクト・プ
レートの温度、１６……加熱中のある時刻、１７
……テールス・プレートの温度、１８……予熱時
間、２０……ウラニウム濃縮室、２２……真空ポ
ンプ、２４……るつぼ、２６……ウラニウム、２
８……電子ビーム、３０……電子ビーム源、３２
……磁界、３４……ウラニウムの表面の１点、３
５……イオン捕獲電極、３６……電子装置、３８
……イオン抽出領域、４０……プロダクト・プレ
ート、４２……テールス・プレート、４４，４６
……側面の遮へい板、４８……冷却制御装置、５
０……冷却孔、５２……前処理の作業段階、５４
……排気の作業段階、５６……予熱の作業段階、
５８……ウラニウムが基板に析出する作業段階、
６０……析出物に酸素を付着させる作業段階、６
２……析出物を基板から剥離する作業段階。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記を包含する、蒸気から析出させる方法： 高温で蒸発する物質の蒸気源から間隔を置い
   て、蒸気から析出させるための２組の基板を接近
   した位置に設けること； 前記２組の基板のうちの１組は他の１組よりも
   前記蒸気源からより離れた位置に設けて低温に保
   ち、他の１組からの輻射熱を吸収する機能を持た
   せること。 ２ 前記輻射熱を吸収する機能を持つた１組の基
   板はその基板上に蒸気からの析出物が付着する温
   度に保たれる、特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ３ 蒸気からの析出物が付着する前記２組の基板
   から析出物を剥がすとき剥ぎとり易くするため
   に、前記基板の表面を荒くする作業を含む、特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 前記基板の表面を荒くする前記作業はサンド
   ブラスト、研磨、または化学薬品によるエツチン
   グのいずれかである、特許請求の範囲第３項記載
   の方法。 ５ 表面を荒くされた前記基板は洗浄され、乾燥
   されて、表面に析出物が付着し易くされる、特許
   請求の範囲第３項記載の方法。 ６ 前記輻射熱を吸収する機能を持つた１組の基
   板を真空中で予熱して表面から不純物を除去して
   低温での析出が阻害されないようにする、特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ７ 前記蒸気源の物質はウラニウムであつて、前
   記輻射熱を吸収する機能を持つた１組の基板の温
   度を150℃から180℃の間に保ち、前記他の１組の
   基板の温度を輻射による放熱によつて450℃から
   600℃の間に保つようにする、特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 ８ 蒸気から析出させる装置であつて、 物質の表面を熱して蒸発させ、この物質の蒸気
   を得るための蒸気源； 前記蒸気源からの蒸気粒子を析出させるための
   第１の析出用基板； 前記第１の析出用基板に接近した位置に設けら
   れ、前記蒸気源からの蒸気粒子を析出するための
   第２の析出用基板； 前記第２の析出用基板をその上に蒸気からの析
   出物が付着する最低温度付近の温度に保ち、か
   つ、前記第２の析出用基板が前記第１の析出用基
   板から輻射熱を奪つて、前記第１の析出用基板の
   温度をその上に付着した析出物が工程中の温度変
   化でも脱落しないような温度に保たせる、前記第
   ２の析出用基板を冷却する手段； を包含し、 前記第１の析出用基板が、前記第２の析出用基
   板と前記蒸気源との間に配置されていることを特
   徴とする、装置。 ９ 前記物質はウラニウムであつて、前記冷却す
   る手段は前記第１の析出用基板が輻射による放熱
   によつてその上にウラニウムのアルフア相の固体
   が析出する温度に保たれるように冷却する、特許
   請求の範囲第８項記載の装置。 １０ 前記物質は２相を有する物質であつて、前
   記冷却する手段は前記第１の析出用基板が輻射に
   よる放熱によつてその上に前記物質の２相のうち
   熱膨張係数の小さい方の相の固体が析出する温度
   に保たれるように冷却する、特許請求の範囲第８
   項記載の装置。 １１ 前記冷却する手段は、前記第２の析出用基
   板を150℃から180℃の間の温度に保ち、前記第１
   の析出用基板を450℃から600℃の間の温度に保つ
   ように冷却する、特許請求の範囲第９項記載の装
   置。 １２ 前記第１の析出用基板は分離しようとする
   同位体が濃縮された物質を析出するための１組の
   プロダクト・プレートであり、前記第２の析出用
   基板は分離しようとする同位体が欠乏した物質を
   析出するためのテールス・プレートである、特許
   請求の範囲第９項記載の装置。 １３ 前記第１の析出用基板を冷却するための補
   助的な流体による冷却手段を更に含む、特許請求
   の範囲第８項記載の装置。