JPH06268337A - 同位体分離装置用レーザーシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】レーザーシステムを簡素化し、エネルギー効率
が高く、分離性能の向上を図る。 【構成】選択励起には波長可変エキシマレーザー１から
励起の色素レーザー２を用い、電離用にはエキシマレー
ザーの発振光（〜308nm ）を用いる。色素レーザー２の
波長とエキシマレーザーの波長の和がイオン化レベル以
上になるような選択励起レベルを選定して用い、エキシ
マレーザーの波長が可変で、或る範囲に存在する自動電
離レベルにその波長を同調させる。これにより効率的な
光電離が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は同位体分離する金属蒸気
にレーザーを照射し、特定の同位体を選択的に励起・分
離させて分離回収する同位体分離装置用レーザーシステ
ムに関する。

【０００２】

【従来の技術】原子レーザー法による同位体分離にはウ
ラン濃縮が知られている。従来の原子レーザー法ウラン
濃縮用同位体分離装置においては、銅蒸気レーザー励起
の色素レーザーレーザーシステムが用いられている。

【０００３】すなわち、図５に示したように銅蒸気レー
ザー10と色素レーザー２とを組合せ、銅蒸気レーザー10
を励起源として色素レーザー２の波長帯域は 540〜 700
nmで、その帯域内で波長が可変であり、目的同位体の共
鳴断面積の大きな吸収スペクトルにその波長を一致させ
て同位体を励起させている。

【０００４】図５は銅蒸気レーザー10と色素レーザー２
とを４系統組合せた従来の同位体分離装置用レーザーシ
ステムを示している。図中符号４はレーザー合成用ミラ
ー、１ａは基底励起用レーザー、２ａは準安定励起用レ
ーザー、３ａは電離用レーザー、４ａは中間励起用レー
ザーである。

【０００５】この波長帯域での色素レーザー２の光子が
有するエネルギーは約２eVであるのに対し、ウラン原子
のイオン化ポテンシャルが約６eVであるため、ウラン原
子を電離させるには３段階の励起が必要となる。

【０００６】すなわち、図６に示すように初期状態にお
いて基底レベル５、準安定レベル６に存在するウラン原
子を電離させるには合計４本の異なる波長のレーザー光
が必要となり、図５に示す４系統の銅蒸気レーザー励起
の色素レーザーシステムが用いられている。

【０００７】なお、図６において符号７は選択励起レベ
ル、８は自動電離レベル、９はイオン化ポテンシャル、
11は中間励起レベルをそれぞれ示している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】原子レーザー法による
同位体分離では対象となる同位体だけを選択的に、しか
も効率よく励起させるため、レーザーの波長を特定の共
鳴波長に精度良くチューニングさせる必要がある。

【０００９】従来の銅蒸気レーザー10により励起した色
素レーザーシステムを用いた４波長３段階のウランの同
位体分離では、４系統のレーザー系を空間的、時間的に
適切に合成させる必要があり、レーザーシステムに対す
る負荷が大きい。また、各系統とも色素レーザー２を介
している分だけエネルギー効率は低くなり、最もレーザ
ーパワーが要求される電離段の励起に対しては、非常に
大きなレーザーパワーが要求される。

【００１０】しかし、これまで銅蒸気レーザーやエキシ
マレーザー自体では波長制御ができないため、色素レー
ザーと組合せて波長制御する必要があり、このことが経
済性、操作性の大きな要因となる課題がある。

【００１１】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、波長可変のエキシマレーザーを使用してレー
ザーシステムを簡素化したエネルギー効率が高く、分離
性能の向上を図った同位体分離装置用レーザーシステム
を提供する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は複数種類の同位
体を含む金属蒸気を加熱溶融して蒸発せしめ、この金属
蒸気流に複数のレーザー光を照射して蒸気流中の特定の
同位体を選択的に励起・電離させ、イオン化した同位体
を分離回収する同位体分離装置用レーザーシステムにお
いて、前記レーザー光の発振波長が可変できる機能を有
するエキシマレーザーと、このエキシマレーザー励起の
色素レーザーとを備え、前記色素レーザー光により目的
とする同位体を選択的に励起せしめ、前記エキシマレー
ザーの波長を制御して前記エキシマレーザー自身の光を
自動電離レベルへの共鳴励起に用いることにより２段階
の共鳴励起で選択的に同位体を電離させることを特徴と
する。

【００１３】

【作用】本発明においては、同位体分離におけるレーザ
ーシステムに発振波長近傍でわずかではあるが可変でき
る機能を有するエキシマレーザーと、このエキシマレー
ザー励起の色素レーザーを備え、目的同位体の選択的励
起には色素レーザーを用い、電離用には色素レーザーを
介さないエキシマレーザー自身の光を用いた２段階の共
鳴励起で目的同位体を選択電離させる。

【００１４】色素レーザーの光子エネルギーとエキシマ
レーザーの光子エネルギーの和が目的同位体のイオン化
ポテンシャル以上になるような選択励起レベルを選定
し、エキシマレーザーの発振波長が可変できる範囲に存
在する自動電離レベルにエキシマレーザーの波長を同調
させることにより、目的同位体を効率的に電離させるこ
とができる。

【００１５】

【実施例】図１から図４を参照しながら本発明に係る同
位体分離装置用レーザーシステムの一実施例を説明す
る。

【００１６】図１は本発明が実施するウランの同位体分
離におけるレーザーシステムの基本的な体系を示してい
る。図中符号１は波長可変エキシマレーザーであり、２
は色素レーザーであり、両者間にエキシマレーザー出力
分岐用ミラー３が設けられている。色素レーザー２から
出射した基底励起用レーザー１ａとしてレーザー合成用
ミラー４に入射し、このレーザー合成用ミラー４で反射
したレーザー光がウラン同位体分離用金属原料蒸気を照
射し同位体分離に寄与する。

【００１７】ここで、エキシマレーザーはＸｅＣｌガス
を用い、 308nm近傍でわずかに発振波長が可変できる機
能を有するエキシマレーザーの出射光を分岐し、一部を
色素レーザー２の励起源として用い、色素レーザー２の
照射光とエキシマレーザー光を再合成して、分離セル内
で加熱蒸発された金属ウラン蒸気に照射する。

【００１８】図２は基底レベル５、準安定レベル６に存
在するウラン原子を励起・電離させる３波長２段階の励
起・電離モデル図を示す。選択励起レベル７のエネルギ
ーとエキシマレーザーの光子エネルギーの和がイオン化
ポテンシャル 49958cm^-1以上になるような選択励起レベ
ル７を利用し、第１の色素レーザーで基底レベル５か
ら、第２の色素レーザーで準安定レベルからそれぞれ選
択励起レベル７に共鳴励起させる。

【００１９】それと同時に、エキシマレーザーの発振波
長が可変できる範囲で励起が可能な断面積の大きな自動
電離レベルにエキシマレーザーの波長を同調させ、自動
電離レベル８を介して電離させる。

【００２０】このような本実施例によれば、１系統の波
長可変のエキシマレーザー１と２系統の色素レーザー２
のみの非常に簡素化されたレーザーシステムで、共鳴励
起を利用した効率的なウランの同位体分離が達成され
る。

【００２１】図３はエキシマレーザーをインジェクショ
ンロックにより波長制御するための装置を示したもので
ある。すなわち、オシレータ部12と増幅部13とからなっ
ており、オシレータ部12は回析格子グレーティング14、
プリズムエキスパンダー15、アパーチャ16、レンズ17お
よびミラー18を具備し、増幅部13はレンズ17および不安
定共振器19，20を具備している。

【００２２】エキシマレーザーは元来、広範囲な発振帯
域を有している、つまり図３全体がエキシマレーザーの
発振帯域であるが、エキシマレーザーをオシレータ部12
と増幅部13に分け、オシレータ部12の光の一部を取り出
し、グレーティング14で特定の波長に固定させ、それを
シードとして増幅させることにより発振帯域を著しく狭
め、しかもグレーティングで波長を制御させることを可
能としている。

【００２３】図４はインジェクションロックされたエキ
シマレーザー（ＸｅＣｌ）の波長可変領域を示したもの
で、この図は『B.Ruckle, P.Lokai, U.Brinkmann. D.Ba
sting, W.Muckenheim Lambda Physik FuE GmbH, Hans-B
ockler-Str. 12 D-3400 Gottingen, Federal Republic
of Germany』から引用したものである。

【００２４】上記実施例では波長制御可能な１台のエキ
シマレーザー１と、色素レーザー２を２台組合せて３波
長のレーザー光をウラン原子に照射し、２段階カスケー
ド的にウラン235 原子を励起させて電離させ同位体分離
することができる。

【００２５】すなわち、本実施例はエキシマレーザーの
波長を電離段の特定の共鳴波長にチューニングさせるた
めインジェクションロックにより波長制御可能な波長可
変のエキシマレーザー１を使用し、かつ２台の色素レー
ザー２およびビームスプリッター、ミラー等の光学部品
から装置を構成する。

【００２６】そして、エキシマレーザー励起の色素レー
ザー２台を特定の波長にチューニングさせ、図２に示し
たように初期状態には基底レベル５、準安定レベル６に
あるウラン原子を選択励起レベル７に励起させる一方、
エキシマレーザー自身の光も同時にウラン原子に照射さ
せ、選択励起レベル７から自動電離レベル８に励起して
電離させる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、同位体分離におけるレ
ーザーシステムに発振波長近傍でわずかではあるが可変
できる機能を有するエキシマレーザーとエキシマレーザ
ー励起の色素レーザーを備え、目的同位体の選択的励起
には色素レーザーを用い、電離用には色素レーザーを介
さないエキシマレーザー自身の光を用いた２段階の共鳴
励起で目的同位体と選択電離させることにより、レーザ
ーシステムが大幅に簡素化される。

【００２８】また、最もレーザーパワーが要求される電
離段の励起に、色素レーザーを介さないエキシマレーザ
ー自身の光を用い、しかも自動電離レベルを利用してい
るため、電離に必要な十分なレーザーパワーの供給が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る同位体分離装置用レーザーシステ
ムの一実施例を示す系統図。

【図２】図１におけるレーザーシステムを用いた３波長
２段階の励起・電離状態を示すモデル図。

【図３】本発明で使用するエキシマレーザーをインジェ
クションロックにより波長制御する装置を示す模式図。

【図４】図３により波長制御するための波長可変領域を
示す波形図。

【図５】従来の銅蒸気レーザーと色素レーザーを４系統
組合せたレーザーシステムを示す系統図。

【図６】図５におけるレーザーシステムを用いた４波長
３段階の励起・電離状態を示すモデル図。

【符号の説明】

１…波長可変のエキシマレーザー、２…色素レーザー、
３…エキシマレーザー分岐用ミラー、４…レーザー合成
用ミラー、５…基底レベル、６…準安定レベル、７…選
択励起レベル、８…自動電離レベル、９…イオン化ポテ
ンシャル、10…銅蒸気レーザー、11…中間励起レベル、
12…オシレータ部、13…増幅器、14…グレーティング
（回析格子）、15…プリズムビームエキスパンダー、16
…アパーチャ、17…レンズ、18…ミラー、19，20…不安
定共振器、１ａ…基底励起用レーザー、２ａ…準安定励
起用レーザー、３ａ…電離用レーザー、４ａ…中間励起
用レーザー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数種類の同位体を含む金属蒸気を加熱
   溶融して蒸発せしめ、この金属蒸気流に複数のレーザー
   光を照射して蒸気流中の特定の同位体を選択的に励起・
   電離させ、イオン化した同位体を分離回収する同位体分
   離装置用レーザーシステムにおいて、前記レーザー光の
   発振波長が可変できる機能を有するエキシマレーザー
   と、このエキシマレーザー励起の色素レーザーとを備
   え、前記色素レーザー光により目的とする同位体を選択
   的に励起せしめ、前記エキシマレーザーの波長を制御し
   て前記エキシマレーザー自身の光を自動電離レベルへの
   共鳴励起に用いることにより２段階の共鳴励起で選択的
   に同位体を電離させることを特徴とする同位体分離装置
   用レーザーシステム。