JPS60500200A - 同位体濃縮装置 - 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】 同位体分離方法及び装置 発明の背景 本発明は、例えば米国特許第４，０５９，７６１号に一般的に開示された形式の 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５６２．９９３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っである。この点については 、１９７７年１月２４日に出願された米国特許出願第７６１．９３９号−現在は 放棄されているーの一部継続出願である１９７７年１２月５日付の特許出願第８ ６０，４２１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、米国工オルギ省（Ｕ、Ｓ、　Ｄｅｐａｒｔ−ｍｅｎ ｔ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　）によって裁定された契約書ＤＥ−ＡＣＯＩ−７７Ｅ Ｔ３３００６号に準した権利を存する。

又、１９７６年１２月６日のｒＰｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒ ｓ　Ｊ第３７巻、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（ｌ５ｏｔｏｐｅ　５ｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｐｌａｓｍａｓ　ｂｙ　Ｕ ｓｅ　ｏｆＪｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ　）Ｊ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４，２０８．５８２号 及び５ｔｅｎｚｅ１氏の米国特許第４．’０９３，８５６号も参照されたい。

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。

発明の概要 本発明は、参考として取り上げた前記Ｄａｗｓｏｎ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１こ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Ｕ２３゜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。

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スジ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Ｊ　 （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Ｒ４こ垂 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凡 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。

本発明の新規な特徴は、特許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、添付口面を参照とした以 下の発明から最も良く理解されよう。

図面の簡単な説明 第１図は、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、第２図は、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、 第３図は、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、第４図ｉよ、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、 第５図は、駆動コイルに４相交流電力を供給する回路の回路図、第６図は、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 、 第７図は、１組の収集板及びそれらのシールドを示す拡大図、第８図は、第７図 の組合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、そして、第９ａ図ないし第９ｄ図はプラズマ内の電界状態を示 すベクトル図である。

装置の全体的な説明 」１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砂界内に形成し、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し 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、高工矛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。

プラズマ内のウランイオン−荷電された粒子であるーは、磁力線をめくる別々の 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−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との技術では、プ ラズマ柱に沿って延びる密度筋のような密度の非均−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然るべき位置で上記茶気を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、ウランを含む茶気が然るべき位置で“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し密度を存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く近くに励起領域が設けられ、この励起９■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。

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め、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）・農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。

さて特に第１図には、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さる分子で構成される。例えば、プレート１０ば、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（、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、第 ２図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１５ 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 超伝動材料で構成される。然し乍ら、超伏動性は、本発明の要旨ではない。

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１　ｋｇ処理できるに充分な程、装置の処理能力が高（な ければならない。従って、プラズマソースは、約１０１４イオン／Ｃｍｌ／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、磁界内の然るべ き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１０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。くれにより生じ る蒸気は、磁功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、 濃媚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（ＥＣＲ）Ｉ）が生しることである。従って、本発明のプラズマ −ソースサブシステムでは、密度が少なくとも１０８イオン／　ｃｒＡで流速も しくはフラックスが少なくとも約１０ロイオン／　Ｃ，（／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 要な効果は、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。

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 よれば、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、第３図、４図及び９図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３゜て一般的に示さ 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、プラズマ密度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ハソフ ルシールト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、第６図ないし第８図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。成る限界内に実質的に均一の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してしまうからである。これは、成る同位 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１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 ンを価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し即ち線の広がりが生しること 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へて短い場合には、更に大きな乱れは許容できるが、同 し制゛約が適用される。従って、線の巾を△ω／ωとすれば、これはほぼに２ｅ φ／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１１であり、ｋはに＝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。

−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、、Ｏ，，２５４ｍ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しる線巾 が、はぼΔω／ω−に２　ｅφ／２ｍω２となる。

但し、ｋ−２×π１０．Ｏ’２５４ φ−０，１００ボルト ｅ＝１．６Ｘ１０−”クーロン ｍ＝２３５Ｘ１．６７Ｘ］　０−２７ｋｇω−８，ｌｌＸｌ０”秒″１ 従って、Δω／ω７０．００１Ｂ即ち０．１８％となる。ウランの場合、同位体 Ｕ２３．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１１であれば許容できる。ここに １ 取り」二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。

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てなく、 静止した（米国特許出願第８６０．４２１号に詳細に述へられたように）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／　ｃｎ！であり、そし て好ましくは、１０’。

ウランイオン／　ｃｎｔ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茶気を形成する。エネルギの高いイオンがプレー）１ ０の表面に衝突した時には、それらの運動エネルギがウラユ／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、ウラン英気の雲が形成され、これは、磁力線を横切っ て拡散し、プレー目０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然るべき位置でイオン化 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−密度の静止プラズマを形成する。

上記の段階を実施する装置が第２図に示されている。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か設けられている。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１ｏのニッケルメッキされた後面４１にろう付は又は 他のやり方で接続され、そして熱交換器に番ま複数の内部管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１ｏ 及び熱交換器４ｏの支持構造体は、第２図に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、５ｃｍ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４ｏ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）１０が厚過ぎると、その前面が非常にカーへして、ウランに相遷移を生しさ 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ｌ容解状態になり、材料がスパッタリングされずに 失われるこ七になる。プレー１−１０は、例えばバイアス電圧源４５によって、 収集組立体３ｏ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１ｏがらスパッタリ ングされて同位体９３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 １ｏがらスパッタリングする場合には、プレート１ｏ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がけるや否やプレー 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）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。スパンクリ ングのエネルギは、１００ワツト／　ｃｎｔ程度である。

中性のラウン原子は、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　（第１図）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に沿った電子サイクロトロン共鳴加 熱によって運動学的に付熱（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、単一荷電イオンを形成す−る のに約６電子ポル）（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１２ｅＶ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、６ｅ Ｖ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、１２ ｅＶの電子はわずかであり、二重荷電イオンの数はＵ゛イオン差動加速を損なう 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）１０にか＼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、平均電子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。

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Ｕ２３．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、２３Ｓ　Ｕ　＋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電力を発注する信号発生器を使用することができ る。この場合には、Ｕ２３．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Ｕ　２１１１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、主としてフン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’ｔ７４Ｗｘを行なうことかできるし、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。

以上に述べたように、マイクロ波ソース４６によって送られるマイクロ波電力の 周波数は、プレート１ｏ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Ｂｕｆｆ 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＃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６０ＧＨｚ の周波数が必要とされる。マイクロ波電力ｔＡ４６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　Ａ ｓ５ｏｃｉａｔｅｓ社から型式ＶＧＡ８００６として入手できるギロトロン（Ｇ ｙｒｏｔｒｏｎ　）管であり、その出力容量は２００　ＫＷ／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９ｕ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併売的に収集するこ 七により、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 流電界を大面積ブラフアマ柱に与えて、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。

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Ｕ２３ ５のイオンサイクロトロン共鳴周波数付近で付勢される。

特に第３図及び第４図に示すように、４つのコイル２１．２２．２３及び２４は 、直角位相、即ち互いに９０’離れて駆動される。

従って、４本の導体２１−２４は、各相ｏ０．９０’、１８ｏ０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いはフィラメント 束であってもよい。第４図に示すように、これらは伝送線の各組５４．５５．５ ６及び５７によって駆動され、これら伝送線には、第５図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６ｏによって電気的に接続される。

４木の駆動コイルは、時計方向に巻かれてもよいし、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は＼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。

特に、第１図及び第３図に示すように、プラズマ柱１９は、４つの駆動コイル２ １−２４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１９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イｙ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ものとなる。

均−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例の軸をめくる軌道でイオンと同時に 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。

第５図は、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がらの高 周波電力は、リード６３が０９で、リート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７１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００及び１８ ０’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６８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と同し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５７を経て２つの駆動コイル２Ｉ及び２３へ供給される。

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か好ましい。

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に交流電界を貫通させ る。これをいかに行なうかは、第９ａ図ないし第９ｄ図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２ １−２４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、ねじれは第３図にも示されている。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）、第４図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°移和される。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第９３図及び第９ｂ図に示されている 。第９ａ図では真空状態であると仮定し、そして第９ｂ図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ＢＣＤ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ＥＲ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Ｅ２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。高密度高専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遥かに大きくなる 。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、第９ｄ図に最も良（示されているよう に、プラズマは、誘起電界ＥＲ及びＥ２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ＢｃＤの長手方向に前後に電子を往復させる。こ れにより、元のＥＺを実質的に打ち消す−Ｅ２が形成される。そして、繰り返し 流れる電子によって電荷か蓄積され、例えば第９ｄ図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、この電荷蓋積は、与えら れる交流磁界ＢＡＣの周波数で繰り返し生しるが、いかなる時でも、第９ｄ図の 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。

が増大される。

駆動コイル組立体の通電素子２１−２．４は、第１Ｍに示すように、重金属の帯 であってもよいし或いは第４図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ツ 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。このドツプラシ 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成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。これにより生し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ＥＲ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か第６ 図ないし第８図に示されている。これら図面について以下に説明する。特に第６ 図に示されたように、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、第７図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２ｏポル１〜ないし２００ホ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乙こバイアスされる。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Ｉ・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Ｉ−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）８０がらの物質のスパッ タリングの影害ば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８ｏが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遅蒔する。

第６図ないし第８図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８０ 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、第６図は、大きな軌道８３を有する 優先的に加速されたＵ２３．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（第６図及び第７図）間の 間隔は、統計学的に、選択された同位体イオン例えばＵ２３．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 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。第８図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 ラフアイＩ・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、 第７図に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。

電気的な勾配によるイオンの反発を最小にするためには、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１〜は、大 部分のＵ２３５イオンをさえ切って収集するか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Ｕ２１５　イオンの軌道直径より小さく且つＵ 　２３１１　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 ラスマを形成する。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 ギレヘルに付勢される。マイクロ波エネルギは、電力源のいインピーダンスをプ ラス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 ９■域全体にわたって実質的に一定のるｄ異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。

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、プラスマの横方向に離間された全区分に貫通ずるようにされる 。これは、プラズマ柱の長手軸に一般的に直角に延びる一厳密に直角ではない一 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達成される。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＝Ｓ的 に与えられる。上記の軸に平行な成分により、２５　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４１先的に収集ず北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価先的に収集し、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、プラズマ流路の衝突を最少にするようにバイアスさゎ 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１−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ば、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。

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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも２つの同位体を有する元素の原子で構成されたイオンを含むプラ ズマ体が細長い軸をもつ磁界内に含まれていて、る周波数をもった交流電界を上 記プラズマ体に与え、上記選択された同位体イオンがその他の同位体イオンのエ ネルギよりも実質的に大きな運動エネルギで上記プラズマ内の拡張らせん軌道を 進むように上記選択された同位体イオンを優先的に加速するような同位体濃縮方 法において、 （ａ）上記軸に直角で、上記プラズマ内の選択された同位体イオンの拡張軌道よ りも少な（とも数倍大きい寸法を有したプラズマ流路全体にわたり上記磁界の長 手方向にプラズマを流すようにし、 （ｂ）多相交流電力をプラズマに与えて、プラズマ流路の所定の長手部分全体止 、軸に直角な成分及び軸に平行な成分を有する交流電界を誘起させ、上記の軸に 平行な成分はプラズマ流路内で長手方向に電子を往復させるように働き、これに より、プラズマ内に生しる空間電荷の作用を改善することを特徴とする方法。 ２、　上記多相電力は複数の電気的に別々の導体によって与えられ、各導体はプ ラズマ流路の１部分のまわりをらせん状に延びる請求の範囲第１項に記載の方法 。 ３、　別々の直角位相をもった交流電力が各々の導体に供給される請求の範囲第 ２項に記載の方法。 ４、　多相電力は４本の導体によってプラズマに送られ、各導体には、その次に 隣接する導体に送られる交流と９０°位相がずれた交流が供給される請求の範囲 第１項に記載の方法。 ５、　少なくとも２つの同位体を有する元素の原子で構成されたイオンを含むプ ラズマ体が細長い軸をもつ磁界内に含まれていて、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対応する周波数をもつ交流電界を上記プラズマ体に与 え、上記選択された同位体イオンがその他の同位体イオンのエネルギよりも実質 的に大きな運動エネルギで上記プラズマ内の拡張らせん軌道を進むように上記選 択された同位体イオンを優先的に加速１するような同位体濃縮装置において、 （ａ）上記軸に直角で、上記プラズマ内の選択された同位体イオンの拡張軌道よ りも少なくとも数倍大きい寸法を有したプラズマ流路全体にわたり上記磁界の長 手方向にプラズマを通流させる手段と、 （ｂ）多相交流電力をプラズマに与えて、プラズマ流路の所定の長手部分全体に 、軸に直角な成分及び軸に平行な成分を有する交流電界を誘起させる誘導手段と を備え、上記の軸に平行な成分はプラズマ流路内で長手方向に電子を往復させる ように働き、これにより、プラズマ内に一生じる空間電荷の作用を改善すること を特徴とする装置。 ６、　上記誘導手段は複数の電気的に別々の導体を備え、各導体はプラズマ流路 の１部分のまわりをらせん状に延びる請求の範囲第５項に記載の装置。 ７、　別々の直角位相をもった交流電力が各々の導体に供給される請求の範囲第 ６項に記載の装置。 ８、　上記複数の導体は４本の導体であり、各導体には、その次に隣接する導体 に送られる交流と９０°位相がずれた交流が供給される請求の範囲第６項に記載 の装置。 ９、　上記４木の導体は、プラズマ流路の周囲に等′角度で離間される請求の範 囲第８項に記載の装置。 １０　実質的に電気的に中性で、均一密度で且つその密度が少なくとも１０１１ 粒子／　ｃＭであるようなプラズマの連続した流れを磁界内に形成する方法にお いて、 （ａ’）磁界強度が実質的に均一な第１領域及びこの第１領域の一端にある発散 磁界領域を有した断面積の大きい磁界を形成し、（ｂ）第１元素の原子を含む物 体を上記発散磁界領域内に配置し、（Ｃ）上記物体の少なくとも１部に高エネル ギのイオンを衝突させて、上記第１元素の原子より成る非イオン化分子を上記物 体からスパッタリングさせ、そして上記第１元素の原子より成る非イオン化蒸気 を上記発散磁界領域内に形成し、この蒸気は上記磁界を横切って拡散して、所定 の断面積にわたって実質、的に密度が均一となり、　゛ （ｄ）自由電子が上記発散磁界領域の１部分内で磁力線をめくる軌道を進むとご ろの周波数に対応する周波数をもった電磁エネルギを茶気に与えることにより上 記発散磁界領域内の自由電子を比較的高いエネルギレヘルに加速し、（ｅ）上記 分子と高エネルギ馬子との間のエネルギ伝達相互作用によって磁界内の然るべき 位置で上記分子をイオン化し、これによって、上記発散磁界領域内に高密度プラ ズマを形成し、このプラズマは上記第１元素の原子を含むイオンと自由電子電断 面積にわたって実質的に均一の密度であり、（ｆ）この高密度プラズマを、上記 発散磁界領域から、磁界強度が実質的に均一な領域に向けて且つこの領域に沿っ て連続的に流すことを特徴とする方法。 １１、上記物体は磁界の長手軸に実質、的に直角に配置された実質的に平らな面 を有する金属プレートであり、上記第１元素はウランであり、 上記高密度プレートは、磁界が実質的に均２な領域において、Ｕ２３５イオンと Ｕ２３８イオンを含み、Ｕ２３５イオンはプラズマ中に存在するウランイオンの ０ないし約０．７％である請求の範囲第１０項に記載の方法。 １２、上記プレートはプラズマに対して負にバイアスされ、これにより、別の元 素のイオンを上記物体に向って加速すると共にこのようなイオンを上記物体に衝 突させて、上記物体から上記発散磁界領域へウランの原子をスパッタリングさせ る請求の範囲第１１項に記載の方法。 １３、上記蒸気に与えられるエネルギは、上記発散磁界領域内の自由電子の電子 サイクロトロン共鳴周波数又はその高調波に対応する周波数を存し、これにより 、上記領域内の自由電子は、上記領域を通る非イオン化ウラン原子と加熱された 電子との間のエネルギ伝達相互作用により、然るべき位置でウラン原子をイオン 化するのに適した工不ルギレヘルに加熱される請求の範囲第１０項に記載の方法 。 １４　自由電子が励起されるエネルギレヘルを調整するように、発散磁界領域か らプラズマが流れる速度を、与えられたマイクロ被電力レヘルに相関させる請求 の範囲第１０項に記載の方法。 １５、上記プラズマは、プラズマ内で磁力線をめくってらせん状に進行する選択 された同位体イオンの軌道よりも数倍大きい横方向寸法にわたって実質的に密度 が均一である請求の範囲第１０項に記載の方法。 １６、元素の所望の同位体を他の同位体に対して差動的に加熱して濃縮するよう に、実質的に中性の高密度均一プラズマを形成する装置において、 （ａ）少な（とも２つの同位体−そのうちの１つを濃縮すべきである−を存する 元素を含み、実質的に平らな面を有している部材と、 （ｂ’）この部材を負の電圧に維持する手段と１、（ｃ）マイクロ波周波数の電 磁波を上記部材に隣接した領域に圧入するマイクロ波手段と、 （ｄ）上記部材に実質的に直角で且つ上記マイクロ波手段の近傍に発散磁力線を 有するような長手方向磁界を形成して、電子をそのサイクロトロン周波数で付勢 する手段とを具備し、−上記領域は上記部材に吸引される不活性元素のイオンを 含んでいて、上記部材から元素の原子を放出させ、このように放出された原子は 上記電子によってイオン化されることを特徴とする装置。 １７、上記プレートはウランより成る請求の範囲第１６項に記載の装置。 １８、少なくとも２つの同位体を有する元素の原子で構成されたイオンを含むプ ラズマ体が細長い軸をもつ磁界内に含まれていて、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対応する周波数をもった交流電界を上記プラズマ体に 与え、上記選択された同位体イオンがその他の同位体イオンのエネルギよりも実 質的に大きな運動エネルギで上記プラズマ内の拡張らせん軌道を進むように上記 選択された同位体イオンを優先的に加速するような同位体濃縮装置において、 （ａ）上記軸に直角で、上記プラズマ内の選択された同位体イオンの拡張軌道よ りも少なくとも数倍大きい寸法を有したプラズマ流路全体にわたり上記磁界の長 手方向にプラズマを通流させる手段を具備し、 （ｂ）更に、上記流路内に離間されていて、長手方向軸に実質的に平行な面を有 している複数の生成物収集プレートを具備し、これらプレート間の間隔は上記プ ラズマ内の選択された同位体イオンの拡張軌道の直径より小さいが、その他の同 位体イオンの軌道直径よりは大きく、これにより、選択された同位体イオンはそ れらの軌道直径が大きいことによって上記プラズマにより優先的に収集され、 （Ｃ）更に、プラズマから他の同位体イオンを除去するように上記生成物収集プ レートの下流で上記流路に配置された端末収集手段を具備することを特徴とする 装置。 １９、上記生成物収集プレートは、運動エネルギ示所定しヘルより低いイオンを 反発するように電気的にバイアスされ、これにより、選択された同位体イオンは 優先的に収集されるが、その他の同位体イオンは除去される請求の範囲第１８項 に記載の装置。 ２０、上記生成物収集プレートは炭素系材料で形成される請求の範囲第１８項又 は第１９項に記載の装置。 ２１、上記生成物収集プレートはグラファイトで形成される請求の範囲第１８項 又は第１９項に記載の装置。 ２２　上記生成物収集プレートは上記端末収集手段に対して正にバイアスされる 請求の範囲第１９項に記載の装置。 ■