JPH0789520B2 - 磁界内に電気的に中性で、密度の均一なプラズマの連続流をつくる方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】本発明は、例えば米国特許第4,０５9,７
６１号に一般的に開示された型式の高密度プラズマ中で
同位体を分離する方法及び装置の改良に係る。上記特許
は、１９７５年３月２７日出願された米国特許出願第５
６2,９９３号─現在は放棄されている─から得られた多
数の特許のうちの１つである。この点については、１９
７７年１月２４日に出願された米国特許出願第７６1,９
３９号─現在は放棄されている─の一部継続出願である
１９７７年１２月５日付の特許出願第８６0,４２１号も
参照されたい。上記特許及び特許出願は、本発明の譲受
人に譲渡されたものである。米国政府は、本発明に対
し、米国エネルギ省 (U.S. Depart-ment of Energy）に
よって裁定された契約書ＤＥ−ＡＣＯ３−７７ＥＴ３３
００６号に準じた権利を有する。又、１９７６年１２月
６日の「Physical Review Letters 」第３７章、第２３
号、第１５４７〜１５５０頁に掲載されたDawson氏等の
「イオンサイクロトロン共鳴を使用することによるプラ
ズマ中の同位体分離 (Isotope Separation in Plasmas
by Use of Ion Cyclotron Resonance ）」と題する論
文、並びにこれに関連するArnush氏等の米国特許第4,２
０8,５８２号及びStenzel 氏の米国特許第4,０９3,８５
６号も参照されたい。

【０００２】これら特許の発行日及び上記一部継続出願
の出願日以来、均一密度プラズマ及び高密度静止プラズ
マに関して相当の研究が行われた。特に、分離さるべき
元素のイオン源、及びその元素の選択された同位体を含
むイオンに差動的な運動エネルギをいかに与えるかにつ
いて努力が払われて来た。その結果、所望の同位体に、
他の同位体よりも多くの運動エネルギを与えることがで
きるようになった。更に所望の同位体の濃密度を増すよ
うに所望の同位体の差動的収集に改善が果たされてい
る。

【０００３】

【発明の概要】本発明は、参考として取り上げた前記Da
wson氏等の出版物及び前記の多数の特許に述べられた同
位体濃縮プロセスを更に発展させたものでこのプロセス
の多数の改良に関する。前記の公知出版物には、次のよ
うな多数の別々の段階を含むプラズマ分離プロセスが開
示されている。先ず初めに、所定軸に実質的に平行に延
びる磁界を形成する。この磁界は、例えばその横方向寸
法がこの磁界内の選択された同位体イオンの軌道直径を
実質的に上回るような断面積の大きなものである。第２
に、同位体を少なくとも２つ有する元素の原子で構成さ
れたイオンを含むプラズマ本体を磁界内に形成する。ウ
ランの濃縮化を目標とする場合には、これらイオンがウ
ランの原子を含み、プラズマは、例えば、イオン化され
たウラン原子及び自由電子で本質的に構成される。第３
番目に、選択された同位体イオン（例えば、プラズマ中
に含まれたＵ２３５イオン）が優先的に加速されて高い
速度でプラズマ内の軌道を進むようにプラズマに交流電
界をかけることにより、選択された同位体イオンに差動
的に運動エネルギを与える。そして最後に、運動エネル
ギの大きさ又は軌道の大きさ或いはこれらの両方に基づ
いて、選択された同位体イオンを優先的に収集する。

【０００４】本発明は、前記の第２及び第３の段階の改
良に関する。本発明の１つの特徴によれば、同位体分離
プロセス及び装置において、大面積高密度のプラズマ本
体を強い磁界内に形成する改良された方法及びサブシス
テムが提供される。更に詳細には、磁界の発散部分内に
高密度プラズマを連続的に形成し、この位置から磁界強
度の均一な隣接領域へとプラズマを流すような技術及び
装置が本発明によって教示される。これにより、実質的
に密度の均一な大直径プラズマ流が、大直径磁界の所定
の断面領域を横切る全ての増分位置を長手方向に流れる
ことになる。本発明のプラズマ発生方法及び装置は、上
記のプラズマ同位体分離プロセスに特に効果的に利用さ
れるが、これに限定されるものではなく、大直径で均一
で且つ高密度の静止プラズマ本体又はプラズマ流を形成
する必要がある場合にも利用できる。例えば、本発明に
よるプラズマ発生源は、ニューヨークのMotley,Robert
W,Academic Press による「Ｑマシーンズ」（１９７５
年）に述べられた多数のシステム及び目的に使用するこ
とができる。又、本発明では、選択された同位体イオン
の軌道周波数又はその高調波に相当する周波数の交流電
界を大直径高密度プラズマに与える改良された方法及び
装置も提供される。交流磁界ベクトルがプラズマ柱の軸
に一般的に垂直に─正確に垂直ではない─延びるように
所望の別々の励磁周波数で交流磁界を発生するように特
に構成された細長い誘導コイル組立体が使用される。こ
の磁界は、軸に対して直角な成分と、軸に対して平行な
別の成分とを有する交流電界をプラズマ柱に誘起する。
軸に対して平行な成分は、重要な効果をもたらす。即
ち、プラズマ柱の横方向に離間された全ての区分におい
て、電子をイオンサイクロトロン共鳴周波数で長手方向
に前後に往復させる。このような電子の往復により、プ
ラズマの各区分に対して横方向に電位勾配が形成され
る。従って、プラズマの密度が高く且つその導電性が高
くても、プラズマの外側部分がその内側部分を与えられ
た交流磁界から遮蔽することはない。上記の電子往復作
用により、直径約３ｍのプラズマ柱を用いた時でも、上
記の誘起された交流電界が高密度プラズマの全ての部分
に浸透される。

【０００５】本発明の新規な特徴は、特に、請求の範囲
で限定する。然し乍ら、本発明自体、その構成及び操作
方法、並びに更に別の目的及び効果は、添付図面を参照
とした以下の発明から最も良く理解されよう。

【０００６】

【発明の概略】上記のように、本発明は、Dawson氏等の
プラズマ同位体分離に特に有用な方法及び装置であっ
て、大きな高密度プラズマ体を磁界内に形成し、このプ
ラズマ内の選択された同位体イオンを差動的に加速して
優先的に収集する改良された方法及び装置に係る。更に
重要なことに、本発明では、大直径の細長いプラズマ柱
の一端で磁界内に新たなプラズマを常時形成して、プラ
ズマ柱を所定のプラズマ流路に磁気的に閉じ込めること
により、大直径の細長いプラズマ柱内で連続的に同位体
分離プロセスを行うことができる。上記のプラズマ流路
は、その一端に、高密度プラズマが本発明によって連続
的に形成されるようなソース領域を含んでいる。又、上
記プラズマ流路は、(1) その両端の中間に、選択された
同位体イオンを差動的に加速するようにプラズマが交流
電界を受ける励起領域を含んでいると共に、(2）この励
起領域の下流位置に、高エネルギイオンが優先的に収集
されて、同位体濃縮された生成物を形成する収集領域を
含んでいる。濃縮化された物質、例えば濃縮ウランを大
量に生成するためには、断面寸法の大きいプラズマ柱を
使用するのが非常に望ましい。例えば、直径が約１ｍ以
上のほぼ円柱状のプラズマを使用するのが好ましく、そ
してプラズマは、この大きな断面積にわたって密度が実
質的に均一であることが強く要望される。

【０００７】プラズマ内のウランイオン─荷電された粒
子である─は、磁力線をめぐる別々の横方向に離間され
た軌道をたどるように拘束され、即ち、磁界に対して横
方向に移動したり拡散したりすることができない。従っ
て、磁界の外側にイオンを形成した後にこれらイオンを
磁界内に挿入するような技術では、均一密度のプラズマ
を形成できない。更に、磁界内に自由イオンを形成する
ほとんどの技術では、プラズマ柱に沿って延びる密度筋
のような密度の非均一な部分が生じる。本発明では、磁
界内の広い領域に均一に非イオン化金属蒸気を形成し、
この蒸気を磁力線に対して横方向に自由に拡散させ、所
定の広い断面積にわたって均一な密度分布が得られた後
にのみ磁界内の上記の蒸気をそれの磁界内の位置でイオ
ン化するような方法を提供することによってこれらの問
題が解消される。かくて、ウランを含む蒸気がそれの位
置でイオン化されると、磁化されたプラズマ柱全体にわ
たって実質的に同じ密度を有するプラズマ流が連続的に
形成される。上記ソース領域のすぐ近くに励起領域が設
けられ、この励起領域では、磁界強さが長手方向及び横
方向に実質的に均一であると共に、プラズマに交流電界
が与えられて、選択された同位体イオンが比較的高いエ
ネルギレベルに差動加速され、大面積プラズマ全体に延
びる回転軌道を進むようにされる。本発明の１つの特徴
は、励起領域内で横方向に離間された全てのプラズマ部
分にこの交流電界を与える改良された方法及び装置に関
する。

【０００８】同位体分離装置に本発明を適用する時に
は、プラズマ流路が、励起領域の下流に配置された収集
領域も含み、この流域では、エネルギの高いイオンが優
先的に収集されて、同位体濃縮生成物が形成される。従
って、本発明の別の特徴及び目的は、選択された同位体
イオンをそれらの運動エネルギの大きさ及び又は軌道の
大きさに基づいてプラズマ内で効率的に収集する収集手
段を提供することである。

【０００９】

【実施例】さて特に図１には、本発明を実施する１つの
装置が若干概略図で全体的に示されている。この装置
は、モノリシックもしくはセグメント化されたプレート
１０を備えている。このプレートは、蒸気を形成する材
料のソースであり、蒸気は、少なくとも２つの同位体種
を有する元素の原子を含むプラズマを形成するようにイ
オン化することのできる分子で構成される。例えば、プ
レート１０は、ウラン金属で構成される。以下の全説明
において、作動パラメータを指定する場合には、ウラン
の濃縮を指すものと理解されたい。然し乍ら、本発明
は、ウランに限定されるものではなく、作動パラメータ
を適当に変更すれば、特定元素の原子より成るイオンを
含むプラズマを形成することのできる実質的に全ての元
素の濃縮に本発明の考え方を利用できる。プレート１０
は熱交換器１１に固定されて熱伝達接触され、熱交換器
１１は、図２を参照して詳細に述べるようにマニホルド
１２を経て送られる冷媒によって冷却される。矢印１６
で示された磁界Ｂを発生するために複数の磁気コイル１
５が装置の周りに配置される。これらのコイル１５は、
液体ヘリウムで冷却される超伝導材料で構成される。然
し乍ら、超伝導性は、本発明の要旨ではない。

【００１０】前記したように、この装置は、磁界の一端
にあるソース領域に新たなプラズマを常時発生し、高密
度のプラズマ流は磁界Ｂに沿って励起領域に流れる。濃
縮生成物を商業的に大量生産するためには、好ましく
は、天然に豊富にあるウランを毎秒約0.５kgないし１kg
処理できるに充分な程、装置の処理能力が高くなければ
ならない。従って、プラズマ−ソースは、約１０¹⁴イオ
ン／cm² ／秒のウラン−- イオンフラックスを与えるも
のが好ましい。好ましい実施例では、ソース領域の上流
端でプレート１０から非イオン化材料を連続的にスパッ
タリングして、均一密度の非イオン化ウラン蒸気の雲を
プラズマ流路に形成することによって、この要求が満足
される。この蒸気に含まれたウラン原子は、磁界内のそ
れの位置でイオン化され、同位体濃縮さるべき元素のイ
オンを含む所望のプラズマ流が形成される。プレート１
０からの材料のスパッタリングはイオンの衝突によって
達成され、即ち、より詳細に述べると、プレート１０
は、これに各々の不活性ガスイオンが当たるたびに濃縮
さるべき材料（例えば、ウラン）の多数の中性原子を放
出するに充分な程、収集組立体３０に対して負の電位に
バイアスされる。これにより生じる蒸気は、磁力線を横
切って均一に拡散した後、然るべき位置でイオン化さ
れ、濃縮さるべき材料の原子より成るイオンを含むプラ
ズマが連続的に形成される。この目的のため、プレート
１０付近の磁界発散部分内に一般に存在する自由電子
は、電子サイクロトロン共鳴周波数のマイクロ波エネル
ギをマイクロ波アンテナ１８から与えることによって励
起即ち加熱される。これらの励起された電子は互いに衝
突し、線４７で示した磁界発散領域においてプラズマ柱
の断面の全ての部分でウラン原子をイオン化する。この
点について、本発明の重要な特徴は、磁界発散領域内に
おいて、電子サイクロトロン周波数がアンテナ１８に供
給されるマイクロ波エネルギの周波数に一致するような
磁界強度の場所で、実質的に薄い断面４７のみに沿って
電子サイクロトロン共鳴加熱 (ECRH) が生じることであ
る。従って、本発明のプラズマ−ソースサブシステムで
は、密度が少くとも１０⁸イオン／cm² で流速もしくは
フラックスが少くとも約１０¹⁴イオン／cm² ／秒である
ような大直径（例えば、３ｍ）のプラズマ流が連続的に
形成される。このサブシステムの重要は効果は、プラズ
マ流路の直径にわたってプラズマ密度が実質的に均一
（密度の筋がない）なことである。

【００１１】プラズマ内の選択された同位体イオンに優
先的に運動エネルギを与えるために、この選択された同
位体イオンの軌道周波数又はその高周波に対応する周波
数の交流電界をプラズマ柱の軸に対して横方向にプラズ
マの１部分にかける。本発明によれは、これは、コイル
２１、２２、２３及び２４を含む多相らせんコイル配列
体２０によって行なわれる。コイル２１−２４は、プラ
ズマ柱の境界２５の外側で、磁界が実質的に均一な領域
に配置されるのが好ましい。このコイル配列体の構造、
動作及び顕著な利点は、図３、図４及び図９を参照して
以下で詳細に説明する。選択された同位体イオンを収集
するサブシステムが参照番号３０で一般的に示されてい
る。これは、複数の収集フェンス即ちシールド３１を含
む。これらシールドは、プラズマ電子を受け入れるよう
にバイアスされる。サブシステム３０は、更にバイアス
された生成物収集プレート３２を備え、これらのプレー
トはバッフルシルード３３から離間されて絶縁されてい
る。バッフル３３の目的は、末端プレート３４からの材
料のスパッタリングに対してプレート３２を保護するこ
とである。これについては、図６ないし図８を参照して
以下で詳細に説明する。均一なプラズマの発生同位体の
分離、即ち、所望の同位体の濃縮は、密度の均一なプラ
ズマ、即ち、密度及び／又は電位に実質的に空間変動の
ないプラズマ体において行うのが好ましい。或る限界内
に実質的に均一なプラズマを形成しなければならない理
由は、もしこのようにしないと線の広がりが生じてしま
うからである。これは、或る同位体のサイクロトロン共
鳴周波数が別のアイソトープのサイクロトロン共鳴周波
数に重畳することを意味する。このようになると、当然
のことながら、選択された同位体イオンが差動加速され
ないことになり、それ故、運動エネルギの高いイオンを
優先的に収集するという同位体分離（即ち、収集）が達
成されないことになる。これは、局部的な電位が変動し
て周波数ずれが生じ即ち線の広がりが生じることによる
ものである。この作用の大きさは、電位変動の振巾と、
このような変動の空間距離とによって左右される。電位
変動は、線の広がりが同位体の分離に影響を与えないよ
うに充分小さくしなければならない。変動が非常に短い
距離にわたって生じそしてこの距離がイオンサイクロト
ロン軌道に比べて短い場合には、更に大きな乱れは許容
できるが、同じ制約が適用される。従って、線の巾をΔ
ω／ωとすれば、これはほぼｋ² ｅφ／２ｍω² に等し
くなければならない。但し、ｍは粒子の質量であり、ω
は与えられた励起周波数であり、φは電位変動の振巾で
あり、ｋはｋ＝２π／λである。λは、電位の乱れのス
ケール長さであり、そしてｅはイオンの電荷である。こ
の線巾Δω／ωは＜分離さるべきイオンの質量差に対し
て小さく保たねばならない。即ち、Δω／ωはΔｍ／ｍ
より小さくなければならない。

【００１２】一例として、質量２３５及び２３８のウラ
ンイオンを含むプラズマについて考える。電位変動φ＝
0.１ボルトが特性波長0.０２５４ｍで生じた場合には、
磁界が２0,０００ガウスであれば、これら電位変動によ
って生じる線巾が、ほぼΔω／ω＝ｋ² ｅφ／２ｍω²
となる。 但し、ｋ＝２×π／0.０２５４ φ＝0.１００ボルト ｅ＝1.６×１０^-19 クーロン ｍ＝２３５×1.６７×１０^-27 kg ω＝8.１１×１０⁵ 秒^-1 従って、Δω／ω＝0.００１８即ち0.１８％となる。ウ
ランの場合、同位体Ｕ２３５とＵ２３８とのパーセント
質量差Δｍ／ｍは0.０１３即ち1.３％である。以上に述
べた状態は、選択された同位体イオンに運動エネルギを
差動的に与えるのに適した均一なプラズマを表わしてい
る。実際には、適度な濃縮を目標とする使用目的では、
質量の差程度の線巾であれば許容できる。ここに取り上
げるウランの場合は、プラズマが大きな非均一性を示す
ことがあるが、選択的な付勢は行なえる。上記の例は、
ウランを非常に効率良く濃縮する充分に均一なプラズマ
を示している。

【００１３】本発明の好ましい実施例ではプラズマが上
記したように均一であるだけでなく、静止した（米国特
許出願第８６0,４２１号に詳細に述べられたように）高
密度プラズマであり、その密度は少なくとも約１０⁸ イ
オン／cm³ であり、そして好ましくは、１０¹⁰ウランイ
オン／cm³ 以上である。他の元素の同位体濃縮を行なっ
たり及び／又はより高い磁界強度を用いたりする場合に
は、もっと高いプラズマ密度を用いてもよい。本発明に
よれば、均一密度の静止プラズマは、２つの別々の順次
段階の組合せによって形成される。即ち先ず第１に、高
速度のイオンをプレート１０に衝突させてプレート１０
の表面からウラン原子をスパッタリングさせることによ
って非イオン化ウラン原子の高密度蒸気を形成する。エ
ネルギの高いイオンがプレート１０の表面に衝突した時
には、それらの運動エネルギがウランの原子又は分子に
伝達され、プレート表面から脱出するに充分なエネルギ
が得られる。これにより、プレート１０の付近に、ウラ
ン蒸気の雲が形成され、これは、磁力線を横切って拡散
し、プレート１０に対応する断面積にわたって密度を実
質的に均一にすることができる。第２番目に、この均一
密度蒸気を磁界内のそれの位置でイオン化する。これ
は、高エネルギの電子を均一密度プラズマに含まれた多
数のウラン原子に衝突させてこれをイオン化することに
よって行なう。このようにして、大直径の磁界１６内
に、高密度で均一密度の静止プラズマを形成する。

【００１４】上記の段階を実施する装置が図２に示され
ている。この装置は、モノリシックもしくはセグメント
化されたウラン金属プレート１０で構成される。ウラン
は冷却しなければならず、このため、熱交換器４０が設
けられている。この熱交換器は、ウランプレート１０と
熱伝達接触するように接続される。これは、例えば、ウ
ランプレート１０をニッケルメッキすることによって行
なわれる。熱交換器４０は、プレート１０のニッケルメ
ッキされた後面４１にろう付け又は他のやり方で接続さ
れ、そして熱交換器には複数の内部管４２が設けられ
る。冷却材はコンジット４３を経、これらの管４２を経
て供給される。プレート１０及び熱交換器４０の支持構
造体は、図２に４８で概略的に示されたように設けられ
る。ウランプレートの厚みは、好ましくは、６cmないし
１０cmであり、この厚みは、プレート前面に衝突する高
エネルギイオンによって発生された熱エネルギを熱交換
器４０へ伝動伝達する必要性によって限定される。従っ
て、プレート１０が厚過ぎると、その前面が非常に加熱
して、ウランに相遷移を生じさせ、その結果、プレート
がふくらみの付いた形状になる。更に、プレートが厚過
ぎる場合には、その前面が溶解状態になり、材料がスパ
ッタリングされずに失われることになる。プレート１０
は、例えばバイアス電圧源４５によって、収集組立体３
０に対し少なくとも４００ないし５００ｅＶの負電圧に
バイアスされるのが好ましい。このバイアス電圧の大き
さは、プレート１０からスパッタリングされて同位体濃
縮されるべき材料に基づいたものとなることが理解され
よう。一般に、バイアス電圧は、各々の不活性ガスイオ
ンがプレート１０に衝突するたびに、濃縮さるべき材料
の多数の原子を放出即ちスパッタリングするに充分な高
い電圧でなければならない。例えば、ウランのような材
料の蒸気をプレート１０からスパッタリングする場合に
は、プレート１０付近の磁界内に正のイオンを送ること
が必要である。始動時には、負のバイアス電圧をかける
や否やプレート１０からのスパッタリングを開始させる
に充分な不活性ガスイオン（例えば、アルゴン）が室内
に存在する。装置が定常作動状態に達すると、高密度プ
ラズマによりプレート１０付近に多量の正イオン（例え
ば、ウランイオン）が供給され、充分な数のウランイオ
ンがプレート１０に衝突して多量の蒸気が発生される。
従って、定常作動においては、自己スパッタリングが主
体となり、プラズマ流路内に多量の不活性ガスイオンは
不要となる。ウランのスパッタリングは、例えばプラズ
マ柱内に一般に存在する正のアルゴンイオン又は他の不
活性ガスイオンによって開始される。スパッタリングの
エネルギは、１００ワット／cm² 程度である。

【００１５】中性のウラン原子は、電子の衝突によって
磁界内の然るべき位置でイオン化される。このため、マ
イクロ波エネルギがマイクロ波源４６（図１）からマイ
クロ波ホーン１８によって磁界の発散領域へ供給され
る。曲線４７は、磁界強度が一定の領域を示している。
ホーン１８は電子サイクロトロン共鳴に対応する周波数
を線４７に沿って与える。電子は、線４７に沿って電子
サイクロトロン共鳴加熱によって運動学的に不熱（即
ち、加熱）され、ここでは電子の軌道周波数（磁力線に
沿った）が送られたマイクロ波エネルギの周波数に一致
するような磁界強度である。電子の加熱は、確率プロセ
スであり、換言すれば、各々の電子は大きな運動エネル
ギを得る確率が同じであり、以下で述べるエネルギレベ
ル（即ち、電子の温度）とは、面４７に沿った薄い断面
内にある電子の平均エネルギを意味する。本発明を用い
て効率的にウランを濃縮する場合には、プラズマは、主
として、単一でイオン化されたウラン原子、即ち、１個
の電子のみが引き離された原子で構成されるのが好まし
い。ウランの場合には、単一電化イオンを形成するのに
約６電子ボルト（ｅＶ）のエネルギを要し、そして二重
荷電イオンを形成するのに約１２０ｅＶを要する。使用
すべき最適な平均電子温度は、許容できるイオン化効率
と、許容できる最少二重荷電イオンとの兼ね合いで決ま
る。ウランの濃縮の場合には、１ｅＶないし２ｅＶの平
均電子温度が使用される。ボルツマンの電子エネルギレ
ベル分布により、平均電子温度がこの範囲内にある時に
は、６ｅＶの電子は単一荷電イオンを適当な割合で形成
するに充分な程存在するが、１２ｅＶの電子はわずかで
あり、二重荷電イオンの数はＵ⁺ イオンの差動加速を損
なう程多くない。平均電子温度は、マイクロ波電力入力
と、プレート１０にかゝるバイアス電圧とを変えること
によって制御される。これらの関係は、直観で予想され
るものとは大きく異なる。というのは、バイアス電圧及
びマイクロ波電力の両方が増加すると、平均電力温度が
下がるからである。これは、バイアス電圧が増加する
と、プレート１０からスパッタリングされる中性原子の
数が増加し、これらの追加原子が電子−イオン衝突数の
増加によって励起電子から更にエネルギを吸収し、これ
により、平均電子エネルギを下げるためである。マイク
ロ波電力が増加すると、プラズマ密度が高くなり（ひい
ては、非弾性衝突の頻度が高くなり）、これも又、平均
電子温度を下げることになる。

【００１６】要約すれば、効率よく同位体分離を行なう
ためには、プラズマイオンの大部分が単一でイオン化さ
れそしてＵ⁺⁺イオンの部分母集団がこの単一でイオン化
された粒子の差動加速−励起領域のイオンサイクロトロ
ン共鳴加速による−を著しく妨げる程大きくならないよ
うなレベルに入力マイクロ波電力を調整しなければなら
ない。現在のところ、同位体濃縮さるべき特定材料のイ
オン化電位で0.1 ないし0.３の間の平均運動エネルギレ
ベルに電子を加熱するのが望ましいと考えられる。上記
の説明は、単一荷電のＵ２３５イオンが差動加速される
（励起領域のイオンサイクロトロン共鳴加熱により）と
いう特定の実施例において予想されるものであり、従っ
て、二重荷電イオンの部分母集団を最少にすることが所
望される。然し、本発明はこれに限定されるものではな
く、更に大きな観点からみると、少なくとも２つの同位
体を有する元素の原子を含む実質的に全ての選択された
同位体イオンを差動加熱することによって同位体分離を
行なおうとするものである。例えば、主として二重電荷
ウランイオンを含むような高密度プラズマを使用し、そ
して二重荷電Ｕ２３５イオンのイオンサイクロトロン共
鳴周波数に信号発生器６１を同調するように選択するこ
とができる。或いは又、２３５Ｕ⁺ の軌道周波数に対応
する第１周波数と、二重荷電イオンの軌道周波数に対応
する第２周波数との２つの別々の周波数でＲＦ電力を発
生する信号発生器を使用することができる。この場合に
は、Ｕ２３５の単一荷電イオン及び二重荷電イオンがそ
れに対応するＵ２３８イオンより速く加速され、従っ
て、単一荷電イオン及び二重荷電イオンの両方について
Ｕ２３５イオンを優先的に収集できるという点で高い分
離効率を実現できる。前記したように、ウラン以外の元
素にも同じ原理が適用される。本発明は、ウラン又は重
金属或いは元素材料に限定されるものではなく、少なく
とも２つの同位体を有する元素の原子を含む錯イオンを
差動加速によって同位体分離する場合に本発明の考え方
を適用できる。例えば、本発明の精神及び範囲内で、主
としてフッ化ウランイオンより成るプラズマを用いるこ
とによってウランの濃縮を行なうことができるし、本発
明のプロセス及び装置に適当に変更を加えて、モリブデ
ン、パラジウム、ロジウム及びルテニウムのような物質
や医療診断及び／又は治療に適した種々の放射性同位体
の分離に使用し、工業的な計測や、非破壊試験や、放射
線写真撮影や、放射線調剤を行なうことができる。

【００１７】以上に述べたように、マイクロ波ソース４
６によって送られるマイクロ波電力の周波数は、プレー
ト１０に隣接しているが接触してはいないような磁界発
散領域の選択された断面（例えば、面４７）内の電子サ
イクロトロン共鳴周波数に一致される。従って、正しい
マイクロ波周波数は、特定の設備に使用されるＢ磁界の
強度によって左右される。例えば、選択された磁界強度
が２0,０００ガウスである場合には、マイクロ波源４６
の周波数が５６ＧＨz でなければならない。２2,０００
ガウスの磁界を使用するように選択した場合には、約６
００ＧＨz の周波数が必要とされる。マイクロ波電力源
４６は、所要の出力容量を有する適当なマイクロ波発生
器で構成される。１つの適当な装置は、Varian Associa
tes 社から型式ＶＧＡ８００６として入手できるギロト
ロン (Gyrotron) 管であり、その出力容量は２００ＫＷ
／管までである。或いは又、装置及びその作動パラメー
タを適当に変更すれば、磁界発散領域での電子のＥＣＲ
加熱にＶＨＦ電力を使用することができる。 選択された同位体イオンの差動加速 本発明の方法及び装置の最終的な目的は、選択された同
位体イオンが到達するエネルギレベルの高さに基づい
て、選択された同位体イオンを優先的に収集することに
より、同位体濃縮された物質を形成することである。そ
れ故、これに必要とされる中間的な目的は、選択された
同位体を含むイオンを他の同位体及び他の粒子−もしあ
れば−に対して差動的に付勢することである。本発明に
よれば、この差動的な付勢は、選択された同位体イオン
を優先的に加速するような周波数の交流電界を大面積プ
ラズマ柱に与えて、上記イオンを、磁力線に沿って延び
るらせん軌道をプラズマ全体にわたって移動させること
により達成される。次いで、選択された同位体イオンの
速度の速さ、運動エネルギの大きさ或いは軌道直径の大
きさに基づいた多数の技術の１つによって上記の選択さ
れた同位体イオンを優先的に収集することにより、同位
体の分離（即ち、濃縮生成物）の形成が行われる。

【００１８】選択された同位体イオンの差動付勢は、２
対の駆動コイル、即ち２対のインダクタによって行なわ
れる。これら４つのコイルは、選択された同位体例えば
Ｕ２３５のイオンサイクロトロン共鳴周波数付近で付勢
される。特に図３及び図４に示すように、４つのコイル
２１、２２、２３及び２４は、直角位相、即ち互いに９
０°離れて駆動される。従って、４本の導体２１−２４
は、各相０°、９０°、１８０°及び２７０°を有す
る。４本の導体の各々は導電性シートであってもよいし
或はフィラメント束であってもよい。図４に示すよう
に、これらは伝送線の各組５４、５５、５６及び５７に
よって駆動され、これら伝送線には、図５に示す回路か
ら規定周波数の交流電力が供給される。４本の駆動コイ
ル２１−２４は、その遠方端に配置されたリング６０に
よって電気的に接続される。４本の駆動コイルは、時計
方向に巻かれてよいし、反時計方向に巻かれてもよい。
コイルの電気的な位相は、イオンを優先的に加速する電
界をプラズマに形成するように、磁界の方向に関連して
選択しなければならない。コイルの位相を変えることに
より、電界の回転方向を磁力線に対して右方向又は左方
向にすることができる。上記のコイル構成により、選択
された同位体イオンの軌道周波数に対応する周波数で時
間と共に回転する大きさのぼゞ一定の電界が形成され
る。適切に選択しなければならないのは、この回転方向
である。電界の回転方向は、導体２４に９０°位相信号
を与えそして導体２２に２７０°信号を与えるだけで反
転することができる。これは、伝送線５７及び５５への
入力を取り替えることによって達成される。

【００１９】特に、図１及び図３に示すように、プラズ
マ柱１９は、４つの駆動コイル２１−２４内に配置され
る。プラズマ１９は一般に磁界によって限定される円柱
を形成し、この円柱内では、磁界ができるだけ均一でな
ければならない。４本の駆動コイルにより、プラズマ１
９内の選択された同位体イオンは、次第に寸法の大きく
なるらせん軌道を進むように優先的に加速される。一
方、不所望の同位体イオンは、駆動コイルに与えられた
信号周波数で共鳴しない。従って、これらは、寸法が次
第に増加できないように直径が周期的に変化する小さな
軌道を形成する。その結果、選択された同位体イオン
は、より大きな運動エネルギを得、それらの軌道直径は
より大きななものとなる。均一磁界内に含まれるプラズ
マ柱の断面直径は、少なくとも、選択された同位体イオ
ンのらせん軌道の最大直径より実質的に大きくなければ
ならず、そしてプラズマ全体にわたって離間された実質
上無限個の軸をめぐる軌道でイオンを同時に加速できる
ように、プラズマ柱の直径が軌道よりも少なくとも１桁
大きいのが好ましい。図５は、駆動コイル２１−２４を
駆動する回路をブロック図で示している。これらのコイ
ルは、信号発生器６１によって駆動される。信号発生器
６１からの高周波電力は、リード６３が０°で、リード
６４が９０°であるように移相器６２によって分割され
る。これら２つの位相の電力は各増巾器６５及び６６に
よって増巾される。これら電力を駆動コイルに効率的に
結合するためにインピーダンス整合回路網６７及び６８
が設けられている。整合回路網６７は、キャパシタ及び
インダクタを各々有する２つの並列共振回路７０及び７
１に給電する。２つのキャパシタ間及び２つのインダク
タ間の接続点はアースされ、従って０°及び１８０°の
２つの位相が得られて、伝送線５４及び５６を経て各コ
イル２０及び２２へ供給される。同様に、整合回路網６
８は、２つの共振回路７２及び７３に給電し、これら共
振回路は上記の共振回路７０及び７１と同じであるのが
好ましい。従って、回路７２及び７３から位相９０°及
び２７０°の電磁エネルギが得られ、伝送線５５及び５
７を経て２つの駆動コイル２１及び２３へ供給される。

【００２０】信号発生器６１で発生される信号の周波数
は、差動的に付勢さるべき選択された同位体イオン例え
ばＵ２３５イオンの回転軌道周波数又はその高周波に対
応しなければならない。電流電界をプラズマに与えるこ
とにより、選択された同位体イオンの差動加速を行なう
べきところのプラズマ柱の部分においては、好ましくは
磁界強度が実質的に均一で且つ時間的に不変でなければ
ならず、従って磁界は約４％という小さなミラー比を有
するのが好ましい。これにより、プラズマに与えられる
交流電界の周波数は、励起領域内のプラズマ柱の長さ及
び巾全体にわたって磁力線に沿って進む選択された同位
体イオンの軌道周波数に対応したものとなる。駆動コイ
ル組立体は、励起領域内にあるプラズマの全区分の交流
電界を貫通させる。これをいかに行なうかは、図９ａな
いし図９ｄを検討することにより完全に理解されよう。
例えば、直径１ｍの細長いプラズマ柱が駆動コイル組立
体２１−２４内に配置されてこの組立体により周囲が取
り巻かれている場合について考える。これらのインダク
タは、回転磁界ベクトルがプラズマ柱の軸に実質的に直
角であるような交流磁界をプラズマ柱に形成し、そして
回転電界ベクトルが上記磁界ベクトル及び軸の両方に実
質的に直角に延びるような交流電界がプラズマ内に誘起
される。前記したように、インダクタ２１−２４は、約
４０°の角度でプラズマ柱に沿ってらせん状に延びてい
る。コイル組立体のこの４０°の角度ずれ、即ち、ねじ
れは図３にも示されている。これは、プラズマの長手方
向に離間された２つの断面に誘起される電界ベクトル
が、これら断面間の間隔に比例した角度でずらされるこ
とを意味する。例えば、真空中では（即ち、導電性のプ
ラズマがない場合には）、図４の右端に誘起される電界
ベクトルはその左端に誘起される電界ベクトルに対して
１８０°移相される。これは、駆動コイル組立体内の領
域の１／２波長セグメントを示した図９ａ及び図９ｂに
示されている。図９ａでは真空状態であると仮定し、そ
して図９ｂでは高密度プラズマ柱が存在すると仮定す
る。この円柱セグメントは、定常磁界Ｂ_CDが軸に直角で
ありそして右端が左端に対して角度的に１８０°ずらさ
れた状態で示されており、そして当然ながら、右端の誘
起電界ベクトルＥ_R は左端の電界ベクトルと反対であ
る。真空中では、これら２つの互いに逆極性の電界が、
実際上、長手方向の電界成分Ｅ_Z を形成し、これら成分
は円柱状の励起領域の上部及び下部において各々逆方向
に延びる。高密度高導電性のプラズマが存在する場合に
は状態が変わる。即ち、プラズマの長手方向の導電率が
横方向の導電率よりも遙かに大きくなる。なぜならば、
電子は長手方向には実質的に自由に移動する。（衝突作
用によって若干移動が妨げられるだけである）が、Ｂ磁
界に対して横方向には電子の流れが磁気的に拘束される
からである。従って、図９ｄに最も良く示されているよ
うに、プラズマは、誘起電界Ｅ_R 及びＥ_Z に応答し、プ
ラズマ柱の横方向に離間された全ての区分において、磁
界Ｂ_CDの長手方向に前後に電子を往復させる。これによ
り、元のＥ_Zを実質的に打ち消す─Ｅ_Z が形成される。
そして、繰り返し流れる電子によって電荷が蓄積され、
例えば図９ｄの左上には負の電荷が蓄積されそして左下
には正の電荷が蓄積される。もちろん、この電荷蓄積
は、与えられる交流磁界Ｂ_ACの周波数で繰り返し生じる
が、いかなる時でも、図９ｄの左端の上部と下部との電
荷の差によってこれらの間に電位勾配が形成され、この
左端のＥ_R が増大される。

【００２１】駆動コイル組立体の通電素子２１−２４
は、図１に示すように、重金属の帯であってもよいし或
いは図４に示すように各々が多数の導体で構成されても
よい。その巻き方は同じ方向であってもよいし、或いは
右巻きと左巻きの組合せであってもよい。好ましい巻き
方は、選択された同位体イオンの加速を最大にする一
方、不所望なイオン種の加熱を最少にするように選択さ
れる。この点に注意を払わないと、高速度イオンにみら
れるように、与えられた電界の周波数がドップラシフト
されるために、不所望なイオン種が若干加熱される。こ
のドップラシフト作用は、特定構成の駆動コイル組立体
を設計する際にこれらの潜在的な作用を考慮することに
よって許容レベルまで減少することができる。要約すれ
ば、励起領域の長さに沿って進むにつれて或る角度移相
されるような横方向交流電界を誘起するらせん状に延び
る駆動コイル組立体２１−２４が使用される。これによ
り、プラズマ全体にわたって長手方向電界成分が与えら
れ、自由電子がイオンサイクロトロン共鳴周波数でプラ
ズマ内を長手方向に前後に往復される。これにより生じ
る電荷のずれによって、プラズマの横方向に離間された
全ての区分において横方向電界Ｅ_R が増大される。従っ
て、大面積のプラズマが高密度で且つ高導電性であって
も、高周波のポンピングエネルギが励起領域内の全ての
プラズマ部分に与えられる。商業的規模の機械では、大
直径（例えば、直径２〜３ｍ）のプラズマ柱の中心付近
の交流電界強度がその周囲付近の電界強度より相当に小
さくなる。然し乍ら、この強度を大直径プラズマ全体に
わたって１桁以内に容易に維持することができる。 濃縮された同位体の収集 選択された同位体イオン例えばＵ２３５イオンを優先的
に収集する収集部が図６ないし図８に示されている。こ
れら図面について以下に説明する。特に図６に示された
ように、複数個の濃縮生成物収集プレート７５がある。
これらの生成物収集プレート７５は濃縮された同位体を
収集するという目的を果たすものであり、図７に詳細に
示すように互いに平行に離間配置される。これらプレー
トは、例えばバッテリ７６により２０ボルトないし２０
０ボルトの間の正の電圧にバイアスされる。これらの生
成物プレートの前には、図示されたようにアース電位に
維持されたフェンス即ちシールド７７がある。これらプ
レートは、プラズマ電子を受け入れるようにバイアスさ
れる。１組の奥行きの深いバッフルプレート７８が生成
物収集プレート７５の右側でこれと一線に配置される。
これらのバッフルプレートもアース電位に維持される。
これらバッフルプレートの目的は、端末プレート８０─
これもアース電位に維持される─からスパッタリングさ
れた非濃縮物質を捕獲することである。端末プレート８
０からの物質のスパッタリングの影響は一連の小型バッ
フル８１によって弱められ、これらの小型バッフル８１
は、端末プレート８０から生成物収集プレート７５に向
ってこれと平行に延びる。奥行きの深いバッフル７８
は、更に、生成物プレート７５を端末プレートのスパッ
タリングから遮蔽する。

【００２２】図６ないし図８に示された収集部は、エネ
ルギの弁別によって作動し、即ち、生成物収集プレート
７５と、シールド７７、バッフル７８、端末プレート８
０及び小型バッフル８１との間の電界によって作動す
る。更に、収集部は、イオン軌道の直径の差によって作
動する。従って、図６は、大きな軌道８３を有する優先
的に加速されたＵ２３５イオンと、Ｕ２３８より成るイ
オンの小直径らせん軌道８４とを示している。隣接する
収集プレート７５（図６及び図７）間の間隔は、統計学
的に、選択された同位体イオン例えばＵ２３５イオンが
プレート７５に当たる割合いの方が、他の同位体イオン
が収集される割合よりも相当に大きくなるように選択さ
れる。この優先的な収集は、選択された同位体イオンの
軌道直径が大きいこと、又は運動エネルギ（即ち、速
度）が速いことに基づいて行なわれる。以下で述べるよ
うに、これら２つを組合わせて用いるのが効果的であ
る。生成物収集プレート７５に正のバイアスをかけるこ
とにより、このプレートに当たる粒子のエネルギに基づ
いて選択的に収集が行なわれる。問題とする同位体ごと
に、同位体のイオンのエネルギ分布は、その平均エネル
ギによって特徴付けされる。選択された同位体イオンの
平均エネルギより低いエネルギに対応するようにバイア
スを選択すると、そのイオン種の大部分が生成物収集プ
レートに優先的に収集される。これに対し、選択されな
い同位体イオンの平均運動エネルギに比してバイアスが
大きい場合には、これらの他の同位体イオンの大部分が
反発される。その結果、形状及びバイアスの両方を変え
ることにより非常に高い融通性が得られる。特に、１組
の所与の状態に対しては、生成物収集プレートにかける
バイアスを増加することにより大きな濃縮係数を得るこ
とができる。然し、濃縮係数が低くても装置の処理容量
を高くしたい場合には、プレート７５のバイアスを下げ
るか或いは取り去ることができる。図８に明確に示され
たフェンス７７は、グラファイトで構成される。端末プ
レート８０は、タンタルで構成されるのが好ましく、そ
して生成物収集プレート７５及びバッフルプレート７８
はグラファイトで形成されるのが好ましい。生成物収集
プレート及びバッフルは、図７に３対示されているが、
いかなる数のプレート及びバッフルを設けてもよいこと
が理解されよう。そして、生成物収集プレートは、収集
領域全体にわたり長手方向及び横方向に離間されてもよ
い。

【００２３】電気的な勾配によるイオンの反発を最小に
するために、フェンスプレート７７と生成物収集プレー
ト７５との間のギャップを、選択された同位体イオンの
らせんピッチ長さより小さくしなければならない。又、
生成物収集プレートは、大部分のＵ２３５イオンをさえ
切って収集するがＵ２３８イオンは端末プレートへ通過
させるように離間され、隣接するプレート７５間のこの
間隔は、好ましくは、選択された同位体イオン例えばＵ
２３５イオンの軌道直径より小さく且つＵ２３８イオン
の軌道直径より大きくなければならない。要約すれば、
収集組立体は、選択された同位体イオンをその軌道直径
の大きさ及び／又は運動エネルギの大きさに基づいて優
先的に収集する。或いは又、本発明に関連して、米国特
許第4,２０8,５８２号に開示された収集サブシステムを
用いてもよいし、或いは、John M. Dawson氏の前記特許
及び特許出願に開示された優先収集技術の１つを使用し
てもよい。以上、元素の所望の同位体を他の同位体から
分離する方法及び装置について説明した。先ず、分離さ
るべき元素の中性原子を含む蒸気を形成することによっ
てプラズマを形成する。これは、スパッタリングによっ
て行なわれる。この蒸気内に含まれた最初の中性原子
（即ち、イオン化されていない）は、その後、比較的高
エネルギの電子と衝突することによってイオン化され
る。これらの電子は、磁界の発散部分内で即ち一定磁界
強度の線４７に沿って自由電子の電子サイクロトロン共
鳴周波数のマイクロ波エネルギを与えることによって、
適当な運動エネルギレベルに付勢される。マイクロ波エ
ネルギは、電力源のインピーダンスをプラズマのインピ
ーダンスと一致させるようにマイクロ波ホーンを介して
与えられる。最初は、装置内に存在する自由電子を付勢
することによってプロセスが開始される。このようにし
て、高密度で均一な静止プラズマが発生される。このプ
ラズマは、円柱状のプラズマ流路に充満し、そしてプラ
ズマ流路の少なくとも励起領域全体にわたって実質的に
一定の磁界強度を有する定常磁界によってプラズマ流路
に保持される。

【００２４】この流路に沿って流れる高密度プラズマ
は、励起領域において交流電界を受け、この交流電界
は、プラズマの横方向に離間された全区分に貫通するよ
うにされる。これは、プラズマ柱の長手軸に一般的に直
角に延びる─厳密に直角ではない─交流磁界ベクトルを
形成する誘導コイル組立体によって構成される。この磁
界により、軸に直角な成分と軸に平行な成分とを有する
交流電界がプラズマに誘導的に与えられる。上記の軸に
平行な成分により、電子は、与えられた周波数で長手方
向に前後に往復する。この電子の往復により、励起領域
においてプラズマの各区分を横切る電位勾配が形成さ
れ、これにより、交流電界が高密度プラズマの全ての部
分に効果的に結合され、与えられる。誘導コイル組立体
は、必要な高周波数電界を誘導的にプラズマに与える２
対の駆動コイルを備えているのが好ましい。差動的に付
勢されたイオンを優先的に収集する収集組立体について
説明した。この収集組立体は、形状と、電気的バイアス
との組合せによって作動し、選択された同位体イオンを
優先的に収集し、プラズマから取り出す。プラズマ源に
向いた収集組立体の全部には、プラズマ電子の衝突を最
少にするようにバイアスされたフェンスシールドが設け
られている。収集組立体は、１組の生成物収集プレート
と、これに続いて１組の奥行きの深いバッフルとを有し
ている。高速粒子の衝突によって端末プレートから放出
（即ち、スパッタリング）される材料は、奥行きの深い
バッフルプレートと、端末プレートに配置された小型バ
ッフルとによって収集される。端末プレート、バッフル
及び小型バッフルはアース電位に維持され、一方、生成
物収集プレートは、選択された同位体イオンの大部分を
収集するがその他の低エネルギ同位体イオンを反発する
ように比較的高い正の電位に維持される。

【００２５】本発明の幾つかの特定の実施例のみについ
て説明したが、本発明はこれらの特定の実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の真の精神及び範囲から逸脱
せずに種々の変更がなされ得ることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】所望の同位体を濃縮化する本発明の装置を、そ
の外部ケーシングを除去して示した概略断面図、

【図２】熱交換器を含むモノリシック又はセグメント化
プレートの側面図であり、スパッタリングによって中性
原子を与える支持構造体を概略的に示す図、

【図３】プラズマ内の選択された同位体イオンに運動エ
ネルギを与える４つの駆動コイルを示す端面図、

【図４】４つの駆動コイルと、これらを付勢する伝送ラ
インに対する電気的接続とを示す概略図、

【図５】駆動コイルに４相交流電力を供給する回路の回
路図、

【図６】所望の同位体と不所望の同位体との２つのイオ
ンの軌道を示す１つの収集板の正面図、

【図７】１組の収集板及びそれらのシールドを示す拡大
図、

【図８】図７の組立体の全面図であって、電子の収集を
禁止するブラファイトフェンス即ちシールドを示す図、

【図９】図９ａないし図９ｄはプラズマ内の電界状態を
示すベクトル図である。

【符号の説明】

１０ プレート １１ 熱交換器 １２ マニホルド １５ 磁気コイル １６ 磁界 １８ マイクロ波アンテナ １９ プラズマ柱 ２１、２２、２３、２４ コイル ３０ 収集組立体 ３１ シールド ３２ プレート ３３ バッフルシールド ３４ 末端プレート ４０ 熱交換器 ４３ コンジット ６１ 信号発生器 ６５、６６ 増巾器 ６７、６８ インピーダンス整合回路網 ７０、７１ 並列共振回路 ７５ 収集プレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラザー ノーマン エイチ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90274パロス ヴェルデス ペニンスラ アカデミー ドライブ 26582 (72)発明者 マクヴィ ブライアン ディ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02174アーリントン クリーヴランド ス トリート 75 (72)発明者 ミュセット マイケル エス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90710ハーバー シティ ナンバー 304 サウス バーモント アベニュー 26201 (72)発明者 アーナッシュ ドナルド アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90274ランチョパロス ヴェルデス ヴィ ア ソノマ 6018 (72)発明者 ヘフリンガー リー オー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90505トーランス パセオ ド パブロ 5001 (56)参考文献 特開 昭52−54898（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ａ）磁界強度が実質的に均一な第１の区域
   とこの第１の区域の一端に発散磁界区域とを有する横断
   面積の大きな磁界をつくり、 ｂ）前記の発散磁界区域内に第１の元素の原子を含む物
   体を配置し、 ｃ）この物体の少なくとも一部分をイオン衝撃して物体
   から前記の第１の元素の原子を含む非イオン化分子をス
   パッタして、前記の第１の元素の原子を含む非イオン化
   蒸気を前記の発散磁界区域内に形成し、その形成した非
   イオン化蒸気を前記の磁界を横断して拡散させて所定の
   横断面積にわたって実質的に均一な密度とし、 ｄ）前記の発散磁界区域の一部分内で磁力線の周りに軌
   道を描いて自由電子が進む周波数に対応する周波数の電
   磁エネルギーを前記の非イオン化蒸気に加えて前記の発
   散磁界内の自由電子を比較的高いエネルギーレベルへ加
   速し、 ｅ）前記の非イオン化分子を磁界内のそれの位置におい
   て、分子と高エネルギー電子との間でのエネルギー転換
   相互作用により、イオン化して、それにより前記の発散
   磁界区域内に、前記の第１の元素の原子を含むイオンと
   自由電子とから成り、前記の発散磁界区域の所定の横断
   面積内で実質的に密度の均一な、密度の高いプラズマを
   つくり、そして ｆ）この密度の高いプラズマを前記の発散磁界区域から
   磁界強度が実質的に一様な区域に連続的に流し込むこと
   を特徴とした磁界内に電気的に実質的に中性な、密度の
   均一なプラズマの連続流をつくる方法。
2. 【請求項２】前記の物体は磁界の長手軸に実質的に垂直
   に配置された金属板であり、 前記の第１の元素ウランであり、そして 磁界強度が実質的に一様な区域における、密度の高いプ
   ラズマはＵ２３５イオンとこのＵ２３５イオンと一緒に
   Ｕ２３８を含み、Ｕ２３５イオンはプラズマ内のウラン
   イオンの約０．７パーセント以下である請求項１に記載
   の方法。
3. 【請求項３】前記の物体はプラズマに対して負にバイア
   スされていて、それにより別の元素のイオンを加速し
   て、そのイオンによって前記の物体を衝撃させ、そして
   前記の物体からウランの原子を前記の発散磁界区域内へ
   スパッタする請求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】前記の非イオン化蒸気へ加えるエネルギー
   は、前記の発散磁界区域における自由電子の電子サイク
   ロトロン共鳴周波数に一致する周波数もしくはその電子
   サイクロトロン共鳴周波数の高調波に一致する周波数を
   有し、それにより前記の発散磁界区域の自由電子を加熱
   してエネルギーレベルを高めて、そのエネルギーレベル
   を高めた電子と前記の発散磁界を通過する非イオン化ウ
   ラン原子との間でのエネルギー転換相互作用によってウ
   ラン原子をそれの位置でイオン化する請求項１に記載の
   方法。
5. 【請求項５】前記の発散磁界区域から流出するプラズマ
   の流速を印加されるマイクロ波の電力レベルと関連させ
   て、自由電子を励起するエネルギーレベルを調整する請
   求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】プラズマ内で磁力線の周りでらせん状に進
   行する選択される同位体イオンの軌道よりも数倍大きい
   横断面積にわたってプラズマの密度が実質的に一様であ
   る請求項１に記載の方法。