JPS62256354A - 磁場により同位体分離を行う装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は磁場によ、ｂ同位体分離又は質量分析の九めの
装置にＮする。この装置は同位体の混合物のイオンの同
位体分離に又は質量分析に通用する。

従来の技術 電気磁気効果によって得られるサイクロトロン共鳴が最
初のサイクロトロンの電子に最初に貌祭嘔れたごとは知
られている。ウラニウムの同位体の一つの濃縮のために
サイクロトロン共鳴をウラニウムの同位体のイオンに適
用することはマンハッタン計画の場合に使用された。プ
ラズマ物理学の急速な進歩は、１９７０年以来フランス
において〃＼つ次にアメリカ合衆国において再び始まっ
た研究をも几らし、それは一様な鱒場全使用する前記プ
ロセスによって同位体分離装置の構造全ティーアールダ
ブリュー（ＴＲＹ　）社によってもたらしｆｃ、６コの
装置は、雑誌「ａｎｎａｌｅｓ　ａｅｓ　ｍ１ｎｅｓ　
Ｊ、１９８６年２月７６月号、１６及び１４ページの「
フランスにおけるウラニウム同位体分離の研究及び発達
」（原文フランス語）と題する論文に把載嘔れている。

この縦方向に延びる装置による同位体分離は！１磁波及
びイオンの間のエネルギー伝達によって得られる。

同様のプロセスにおいて、イオンの垂直方向エネルギー
は粒子が装置の＠線に沿って周期的に空間的に変調嘔れ
る磁場中へ噴射嘔れゐ時に若干の条件下において観察さ
れる共鳴効果の粘釆として増加される。このようなプロ
セスは特に「Ｊｏｕｒｎａｌｄｅ　ｐｈｙｓｉｑｕｅ　
１ｅｔｔｒｅｓ　Ｊ第４６号、１９８５年８月１５日、
Ｌ７４５〜Ｌ７４９ページの「周力］的妹気構造におけ
る加熱粒子」（原文フランス語）と題する論文に記載ち
れている。

粒子が騙旋軌跡ｒ描き、その直径が時間によって指数関
数的に増加することはこの論文から得られうる。実験的
及び理論的研究は、縦方向エネルギー伝達（軸線方向場
と平行）？横方向エネルギーに対して１−丁必須の条件
が関係式 ｖ７゜−ΩＣＯ（λｏ　／　２π）によって与えられる
バラメクー共鳴条件であるごとを示しており、上記式に
２いて、ΩＣＯは考慮したイオンのサイクロン脈動（平
均振幅ｍＢｏ）において七の軌跡上で完全な回転即ち２
ラジアン七行うためにイオンによって得られる時間の反
転）であり、 Ｖ／。は平均振幅Ｂ。を有する変調磁場（軸蛤方向伝場
）の方向に対して平行な共鳴イオンの平均速度であり、 λ０は縦方向（装置の軸線と平行）への磁場の空間的変
調の波長を示す。

厳格に規則的なかつ円筒状の周Ｍ的な偉気４這に２いて
、該構造の軸ｉＺに対して平行な磁場Ｂｚの形状は例え
は次式のように曹ける。

Ｂｚ　　−Ｂ□　　（１＋　　ｇ　　日ｉｎ　　ｋＯ　
、ｚ　　）式中、ｋ０＝２π／λ。

この関係式において、前記したようにＢＯは軸稼方向磁
場Ｂ２の平均成分でめり、かっεは削乱場の平均振幅Ｂ
ＯＱ軸鱈軸向方向磁場の成分の最大変化の半振幅を示す
。

それ故、ｋＯ、ｚ−１でめる時、Ｂｚｍａｘ　−Ｂｏ　
’　（１十〇とｉくことができる。しかしながら、ｋＯ
、ｚｘ’１である時、軸線方向ｍ場の最小値は Ｂｚｍｉｎ　−Ｂｏ　’　（１−ε）と８かｔＬ得、６
゜それ故、Ｗ’ＩＮＣ場の平均成分ＢＯの磁場の成分の
最大変化の掘扁は ΔＢ　＝　Ｂｚｍａｘ　　Ｂｚｍｉｎ　−２’　−Ｂ。

の値を有する◇ ごの型の磁気構造は特にｒ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｄｏ　ｐ
ｈｙｓｉｑｕｅ１θｔｔｒｅｓ　Ｊに西己献されている
ものであり、かつΔｍ／ｍ（ΔＢ／Ｂｏ　−２ε　　　
　（１）であるとぎ、同位体を分離することを不可能に
丁この関係式において、６ｍ−ｍ１　ｍ２は混合物の二
つの同位体のＵＪＦｆｍｌ及びｍ２の差を示し、ｍはｍ
−（ｍｌ　＋ｍ２）／２であるとぎ混合物の二つの同位
体の平均負負である。関係式（１１が【′＾足される時
、仏場中の共鳴同位体の加熱は正しい同位体分離七ル」
持重ゐには不充分である。

ｊ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｄｅ　ｐｈｙｓｉｑｕｅ　１ｅｔ
ｔｒｅａ　Ｊ誌は、半径Ｒの仝ＩｕＪ的軌跡を描きかつ
「ラーモア半径」と呼ばれる共鳴イオンに対してラーモ
ア半径の冷加に考慮が全体的に払われていないことを示
している。

例えは、これ６１　［ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｃｏｎ
ｔｒｉｂｕｔｅｄｐａｐｅｒｓ　Ｊ　、…巻、プラズマ
に閣下ゐ国際金紙、ローずンヌ、１９８４年６月２７日
〜７月６日、６６５ページに記載ちれている装置の場合
である。

＋ｇ雷な円筒状の包囲体中で七の軸殊に沿って、前と装
置は、イオン又はプラズマ源と、包囲体の軸線に沿って
数個の規則的に離隔嘔れた磁気りング會有する規則的な
磁気構造とを有する。

ごの装置において、磁気リングが包卸体の軸線に沿って
規則的に離隔てれるとき、ラーモア半径の績加について
８Ｌ籠が払われておらすがっその結果としてイオンの初
期垂直速度について考慮が払われていない。このため、
イオン収巣装ｆｉｔｔ−も有していないこの装置はｌＷ
１位体分体分離めに使用され得ない。

発明が解決しようとする問題点 本発明の目的はこれらの欠点ｒｒｙ除くことにありかつ
物に偉気組立体が数個の磁気リングによって又は包囲体
の軸線の周りの螺旋巻聰によって構成ちれ、磁気リング
又は磁気壱称のターン間の間隔の分布がラーモア半径及
び源によって放出されるイオンの初期垂直速度を考り数
丁ゐ所足の法則に従う装置を提供丁ゐことにあゐ。それ
故、この装置は正しい同位体分１ｉｔ１！ｌｌ″得るこ
とを可能に′ｆゐ。

問題点ｔ−解決するための手段、作用及び効果それ故、
本発明は、−場による同位榛分離のための装置であって
、緊密な包咄体全せしかつ、該包囲体の軸線の上流から
下流へ、包一体中に配甑嘔れ几同位体の混合物のイオン
源と、該源からのイオンを加速するために包囲体の下流
の源に面子ゐように包囲体中に配置された加速格子と、
混合物の同位体の一つのイオン會すイクロトロン共鳴嘔
せる友めに包囲体？取囲り飾気組立体とを有し、該磁気
ｉ豆体が加速格子の下流のイオン経路上に配置され、そ
れにより前記飾気組立体が磁気ターンの円筒状螺旋巻椋
によって全て構成ちれた数個の１１１−の味気リングｋ
　Ｔ’ｊ　Ｌ／　、ｉａ　！Ｊング又は該巻線がその軸
線として包囲体の＠粉七櫓し、サイクロトロン共鳴にも
ｔらされたイオンがラーモア半径と呼ばれるそれらの回
転中径によって規制される円形螺旋を通過し、かっ更に
共振イオンｔ′磁気組立体から収集丁ゐ友めｌＩＣ４ｙ
ｈ気組立体の下流において包囲体中に配置された共鳴イ
オン収集組立体と、収集組立体の下流において軸線に対
して垂直に包ｌ！ｈ悴甲にあって収集板によって捕捉ち
れたかっ几非共鳴イオンを収集するための収集板とを有
し、螺旋の二つの連続するターンの間又は味気組立体の
二つのリングの間の間隔が関係式 ％式％］ によって決定され、Ｐ（りが包囲体の軸線上の慎座標点
ｚ？１１″取囲む二つの連続するターン又は二つのリン
グの間の間隔を示し、横座標の原点が包囲体の軸線と該
軸線に対して蚕直にありかつ源の側部において一端に磁
気組立体を規制する平面との交点であり、ｖ、ｏが軸線
（Ｚ）に対して垂直な方向への共鳴イオンのＪ′ｊｒ定
の平均違反を示し、ｖｌｏが包囲体のｍ　ｉ９に対して
平行な方向への共鳴イオンの所定の平均速度全示し、Ｃ
が’ｔｚ’Ｇ　Ｂ磁場の平均振幅Ｂｏの軸線に対して平
行な磁場の取分の鰍大変化の半振幅全示し、ｋＯが関併
式に０＝Ωｃｏ　／　Ｖｌｏによって規定てれる定以會
示し、かつΩＣＯが共鳴イオンのサイクロトロン脈動で
あることに％徴とする装置に関する。

別のｔ＃ｆ徴によれは、共鳴イオン収渠組立体は軸線と
平行な板？■し、二つの連続１°る平行な板は磁気組立
体からの共鳴イオンの回転半径の二倍に近いがそれより
小てい距離だけ離隔されている。

〃１」の特徴によりは、共鳴イオン収集組立体は包ｉ体
と同一の＠ｈ’Ｌ有する向悔状の内筒状管上１゛し、二
つの連続するｔは磁気組立体からの共鳴イオンの回転半
径の二倍に近いがそれより小さい距離だけ離隔嘔れてい
る。

別の特徴によれは、七ｎ組方回への収集組立体の版の畏
ぢは２π・Ｖ／Ω。０　に近いがそれより大ぎ＜、■／
は磁気組立体からの共鳴イオンの速度を示す◇ 別の特徴によれは、装置は磁気組立体及び共鳴イオン収
集組立体の間に＾じ置きれて共鳴イオンを減速する格子
をも有する。

実施例 本発明は本発明による磁場による＋＝ｒ位体分体分離め
の装置全縦断面図で概略１ｊＵに示す硝付図面に関して
以下により詳細に説明される。

図面に示した装置は、例えは円筒状の緊″Ｂな包囲体１
と、線色囲体の軸＃ｌｚの上置から下皿へ、同位体混合
物のイオン又はプラズマの源２とに！し、源２は包囲体
内に配置嘔れている。

装置は源からのイオンｒ加速するための格子３にも有す
る。この格子はＤｊＩ　電源の下流において前砧源に面
しており≠・つ諒から来るイオン？加速する。格子は源
からのイオンが陰イオンである場合には図示されない′
Ｋｍ、によって正電位ｖ１マで筒められる。逆に、前記
格子は源からのイオンが湯イオンでめるならは負電位を
負わ嘔れる。包囲体２は基準接地Ｍの′−位ケ負わ嘔わ
ている。

磁気組立体４は包一体を取囲んでおりかつ既知のように
源２かもの混合物の同位体の一つからのイオンをサイク
ロトロン共鳴嘔セることｋ　”Ｊ　舵にする０この組立
体は１速格子３の下流においてイオンの経路上に配置さ
れておりかつ包一体１會取囲んでいる。磁気組立体は数
個の同一の磁気リング４　Ａ　’ｃ有しかつ図面に破断
締の形で示し九螺旋巻縁のターン４Ｂによって随意に栴
成され得る。

磁気ターンは円筒状の螺旋に従って巻かれている。

リング４Ａ又は磁気ターン４Ｂは包１体と凹じ軸株會再
する。既仰りように、サイクロトロン共鳴したイオンは
それらの回転半径即ちラーモア半径によって規足嘔れ７
′ｃ螺腫ψし道に従う。

また、装置は包一体の１＃ｌ細２と平行な伝導板によっ
て形ｒｆｔ、嘔れた収集組立体ｔｌ’Ｎする。既知のよ
うに、磁気組立体４の下流において包囲体中に配置てれ
たこの組立体は磁気組立体４からの共鳴イオン會収集す
ること奮可北にする。陽イオンのために、組立体６の版
は図示しない電源によって負電位ｖ２を負わ嘔れ得る。

逆に、陰イオンのために、平行な板は正電位ｖ２會負わ
される。減速格子７が磁気組立体４及び共鳴イオン収集
板６の間に配置され得る。陽イオンの場合には、減速格
子７は図示しない電源によって正電位’Ｖ３’を負わ嘔
れる。この減速格子は磁気組立体４かもの共鳴イオンが
陰イオンである時に負′ＲＬ位を負わされる。

最後に、装置は板組立体６の下流において包囲体中に配
置ちれた収集板８會有する。包囲体の軸＊Ｊ　Ｚ　Ｋ対
して垂直なごの収集板は平行な板６０組立体によって捕
捉芒れない非共鳴イオンを収集することケ可能に丁ゐ。

陰イオンの場合に、収集板８は正電位ｖ４まで高められ
るが、陽イオンの場合には、板８は負電位に尚められる
。

不発１によれは、二つの連続するリング又は梃、気構這
４の螺旋巻紛の二つの連続丁ゐターンの間の間隔ｐ＜ｚ
＞が規定される。リング又は螺旋磁気巻線はリング形状
の磁石又は螺旋形状の磁石によって構成され得る。これ
らリング又は前記螺旋巻線は超伝導体磁石又はＩＥ拗コ
コイルよって構成てれ得る。

本発明によれは、二つのリング又は磁気組立体の二つの
連続丁ゐターンの間の間隔Ｐ（Ｚ）はもはや一定ではな
く、その代わりに可変であり、源からのイオンの初期垂
厘速＆　（ｖＬｏ　）及び初期平行速度Ｖ１０の両方を
考慮する変調された磁場を作り、前記間−Ｐ（２ｉ　”
）は次式によって与えられる。

Ｐ（Ｚ）−λｏ（１＋（ＶＬｏ／Ｖｚｏ）　（Ｉ　Ｃｈ
　（１！、に□、２＋／４））］”’２式中、Ｐ（Ｚ）
は包囲体の軸線に沿う縦座標点２に対する二つの連続す
るターン又は二つのリングの間の間隔を示す。前記軸線
上の横座標２の原点は、前記細霧に対して垂直でめ９か
つ源側の七の一端において一気組立体を規制する平面Ｐ
と包囲体の軸線との交点にある。１面に０によって示ち
れたこの原点は実際に源２に圓する磁気構造４の最初の
ターン又は最初のリングの面を通過する平面Ｐとをｍ軸
線との交点である。

用語ＶＪＬ。は本発明によれは共鳴イオンの回転半径に
対して垂面な方向（該方向は＠線２に対して垂直である
）への共鳴イオンの所定の平均速度を示す０ ｖｌｏは色目４体の軸線ｚに対して平行な方向への共鳴
イオンの所定の平均速Ｋｋ示す。

用語ε、ｋＯ及びλ０は前記して定義した。

Ｆｌｌｌ　ｉｔｃ　シた榊造會有する饋気龜立体によっ
て、共鳴イオンの加熱が一層効果的になる。

共鳴イオン會収果することを可能にする収集組立体６の
平行な板は磁気組立体からの共鳴イオンの回転半径の二
倍に近いがそれよジ小さい距離だけｉＩｌ七隔されてい
る。この几め、共鳴イオンは螺旋を描き、それにより前
記イオンを板によって収集又は捕捉する友めにそれらは
磁気ね立体から去る前記螺旋の直径に近い距離たけ離隔
されねばならない。収集組立体すは共鳴イオンの回転半
径の二倍に近いがそれより小さい距離だけ離隔逼れｆｃ
同軸状の伝導管によって靭成嘔れ得る。

収集組立体６の板又は同軸状管は装置の分離効果七改讐
するために遅延亀位會負わされる＠これらの叛又はこれ
らの伝導管は非常に制限された厚で上方する◎ 組立体６の板又は同軸状管の＊嘔１は ２π・ｖｌ／ΩｃｏＶＣ近く、Ｖノはｍ　ｉ、　ｉ＝立
＄４ｔｌ’去ゐ共鳴イオンの速＆１−示す。それ故、Ａ
ｉｌ記長さが前ｈｃ値より小名いならは、若干の共鳴イ
オンは組立％６の板又は同軸状管によって収果賂れこと
がおる。

非共鳴イオンは叛又は南ｖＦＩｌ状管の組立体６ｔ−通
過しかつ板８上に収集され、板８は包囲体の軸線２に対
して垂面にありかつそれ改札立体４によって発生嘔れる
磁場に対して垂直にめる・収ＩＩｅ組立体６の全ての板
又は同軸状管は畝粉化現象を最小限にする友めにカーボ
ンから作られることができかつ収集された共鳴イオンの
良好な付着７保証することを可能にする温度まで高めら
れ得々。

また、装りは９量分析を実施することを可能にする。こ
の場合、二つの連続する同軸状管の間又は二つの板の間
に現れろ信号は収集嘔れ、増嘱石れかつ次に既知の方法
に従ってフーリエ級数で分析てれる。

応用例において、装置はアルゴンの同位体３６Ａｒ及び
４０Ａｒの単荷電イオンの分離に使用嘔れ侍る。

イオ７３６Ａｒに対して、ｖｌｏ　−２０，０００ｍ／
ａ及びｖｌｏ　−２，０００ｍ／ｓ　　であルカ、”Ａ
ｒ　１７）　イオンに対して、ｖｚｏ−１８９７０ｍ／
ｓ　　及びＶ上。−１８９７ｆｆｌ／８　　である。

これらのイオンは１（ｐｇｃｍ−’Ｓに近いイオン密度
ｔ−有しかつｌ’ｏ　＝　６２−８’　４　ｍ−１及び
−０，１５ｆ６るように嫡気組立棒’ｉ＊通する。約１
．５０及び約１５ターンの移動後、共鳴イオンの回転半
径は豹１７のファクターだけ増加が、非共鳴イオンの回
転半径は平均で２のファクターだけ増加するだけである
。サイクロトロン）原動は２００　ｋＨｚの周液数及び
０．４７テスラの平均磁場値に対応して１２．５６−１
０’　ｒｔＬ　／ｓ　ノ１ｆｒｋ’；４ＫＴｂ。

これらの！ｍ　Ｖｃよって、アルビン４００モル分第に
対するアルビン６６０モル分率の比は約８．５であるが
、初期」友の比は０．００３４１０．９９６６〜６．４
・１０−３即ち約１０の純粋に幾何学的な分離ファクタ
ーである。ごの分離ファクターは超立体すの収集管又は
仮に遅延電位を目］加丁ゐことによって５のファクター
まで改善チれ祷る。

別の応用例において、装置はカリウムの同位体に３９及
びに４１の早荷−イオンの分離に使用され得る。Ｋ４１
ノイオンニ対シテ、ｖ／。＝　１８７９０　ｍ／ｓ及び
Ｖ上。−１８７９ｍ／ｓ　　でめゐが、Ｋ３９のイオン
に対して、Ｖ／Ｑ　−１９２６０”／　８及びｖ、。＝
１９２６ｍ／８である。こねらのイオンはｋ。−６２，
６２ｒＩＬ−”及び　−０，０７５でめるように鱒気組
立体會頁通する。約２．８ｍ及び２８メーンの移動後、
共鳴イオンの回転半径は乙のファクターだけ増加する。

ザイクロトロン脈動は１８７ｋ）（Ｚの周波１及び０．
５テスラの平均価場値に対応して１．ｉ　７６−１０’
　ｒａ／ｓのイｍｌ先七する。純粋に幾何学的な分陰フ
ァクターは約６であめ。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明による蜂場による同位体分離のための装置
の縦断面概略図である。 １・・・包囲体、２・・・源、３・・・格子、４・・・
伝気組立体、６・・・収集組立体、７・・・減速格子、
８・・・収集板。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁場による同位体分離のための装置であって、緊
   密な包囲体を有しかつ、該包囲体の軸線の上流から下流
   へ、包囲体中に配置された同位体の混合物のイオン源と
   、語源からのイオンを加速するために包囲体の下流の源
   に面するように包囲体中に配置された加速格子と、混合
   物の同位体の一つのイオンをサイクロトロン共鳴させる
   ために包囲体を取囲む磁気組立体とを有し、該磁気組立
   体が加速格子の下流のイオン経路上に配置され、それに
   より前配磁気組立体が磁気ターンの円筒状螺旋巻線によ
   って全て構成された数個の同一の磁気リングを有し、該
   リング又は該巻線がその軸線として包囲体の軸線を有し
   、サイクロトロン共鳴にもたらされたイオンがラーモア
   半径と呼ばれるそれらの回転半径によって規制される円
   形螺旋を通過し、かつ更に共振イオンを磁気組立体から
   収集するために磁気組立体の下流において包囲体中に配
   置された共鳴イオン収集組立体と、収集組立体の下流に
   おいて軸線に対して垂直に包囲体中にあって収集板によ
   って捕捉されなかった非共鳴イオンを収集するための収
   集板とを有し、螺旋の二つの連続するターンの間又は磁
   気組立体の二つのリングの間の間隔が関係式 Ｐ（ｚ）＝λ＿Ｏ〔１＋（Ｖ＿⊥＿Ｏ／Ｖ＿■＿Ｏ）＾
   ２（１−Ｃｈ＾２（ε．ｋ＿Ｏ．ｚ／４））〕＾＋＾１
   ＾／＾２によって決定され、Ｐ（ｚ）が包囲体の軸線上
   の横座標点ｚを取囲む二つの連続するターン又は二つの
   リングの間の間隔を示し、横座標の原点が包囲体の軸線
   と該軸線に対して垂直にありかつ源の側部において一端
   に磁気組立体を規制する平面との交点であり、Ｖ＿⊥＿
   Ｏが軸線（ｚ）に対して垂直な方向への共鳴イオンの所
   定の平均速度を示し、Ｖ＿■＿Ｏが包囲体の軸線に対し
   て平行な方向への共鳴イオンの所定の平均速度を示し、
   εが前記場の平均振幅Ｂ＿Ｏの軸線に対して平行な磁場
   の成分の最大変化の半振幅を示し、ｋ＿Ｏが関係式ｋ＿
   Ｏ＝Ωｃｏ／Ｖ＿■＿Ｏによって規定される定数を示し
   、かつΩｃｏが共鳴イオンのサイクロトロン脈動である
   ことを特徴とする装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項による装置において、共鳴
   イオン収集組立体が軸線に対して平行な板を有し、二つ
   の連続する平行な板が磁気組立体からの共鳴イオンの回
   転半径二倍に近いがそれより小さい距離だけ離隔されて
   いることを特徴とする装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項による装置において、共鳴
   イオン収集組立体が包囲体と同じ軸線を有する同軸状の
   円筒状管を有し、二つの連続する管が磁気組立体からの
   共鳴イオンの回転半径の二倍に近いがそれより小さい距
   離だけ離隔されていることを特徴とする装置。
4. （４）特許請求の範囲第１項又は第２項による装置にお
   いて、軸線の方向への収集組立体の板の長さが２π・Ｖ
   ＿■／Ωｃｏに近いがそれより大きく、Ｖ＿■が磁気組
   立体からの共鳴イオンの速度を示すことを特徴とする装
   置。
5. （５）特許請求の範囲第１項による装置において、それ
   が磁気組立体及び共鳴イオン収集組立体の間に配置され
   て共鳴イオンを減速する格子を有することを特徴とする
   装置。