KR100927466B1 - 이터븀 동위원소 분리방법 - Google Patents

Abstract

레이저를 이용하여 표적 동위원소를 준안정 상태로 동위원소-선택적으로 광펌핑한 후, 그 준안정 상태의 원자를 여기상태를 거쳐 연속준위 또는 자동이온화준위로 광이온화시키는 것을 포함하는 이터븀 동위원소 분리방법이 제공된다.

광이온화된 이터븀이온은 전기장내에서 분리될 수 있다.

본 발명의 방법에 의하면 현재 상업적으로 적용되고 있는 전자기적 방법보다 경제적으로 그리고 소규모의 장치를 이용하여 다량의 이터븀 동위원소를 제조하는 것이 가능하다.

이터븀, 동위원소분리, 광펌핑, 광이온화, 레이저

Description

이터븀 동위원소 분리방법{Method for isotope separation of Ytterbium}

도 1은 이터븀 동위원소 분리방법의 기본 개념도이다.

도 2는 이터븀 원자의 부분 에너지 준위도이다.

도 3은 광펌핑에 관계되는 이터븀 에너지 준위의 동위원소 이동과 초미세구조를 나타내는 도면이다.

도 4는 출력이 1W이며 직경이 10mm인 가우시안 세기의 분포를 갖는 광펌핑 레이저를 가정하여 계산한 이터븀 동위원소의 광펌핑 스펙트럼 결과이다.

도 5(a)는 비선택적으로 광이온화된 이터븀 원자의 질량 스펙트럼 측정결과이며, 도 5(b)는 광펌핑 레이저의 주파수를 ¹⁷⁶Yb 동위원소에 공명시켰을때의 광이온화 질량 스펙트럼 측정결과이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1...이터븀 원자빔 발생장치 2...이터븀 원자빔

3...원자빔 콜리메이터 4, 5...연속발진형 레이저

6, 7...펄스형 레이저 8...이터븀 이온수집장치

9...전자 10...광이온화된 이터븀동위원소 이온

본 발명은 레이저를 이용한 이터븀 동위원소 분리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 이용하여 특정 동위원소만을 선택적으로 광이온화시킨 후 이온화된 특정 동위원소를 추출하는 이터븀 동위원소 분리방법에 관한 것이다.

이터븀(Ytterbium, Yb)은 자연계에서 존재비가 12.7%인 ¹⁷⁶Yb, 31.8%인 ¹⁷⁴Yb, 16.1%인 ¹⁷³Yb, 21.9%인 ¹⁷²Yb, 14.3%인 ¹⁷¹Yb, 3.05%인 ¹⁷⁰Yb 및 0.13%인 ¹⁶⁸Yb 등 모두 7종류의 동위원소로 구성된다. 이중 ¹⁷⁶Yb와 ¹⁶⁸Yb 동위원소는 상업적으로 매우 유용한 동위원소이다.

먼저 ¹⁷⁶Yb가 95%정도로 농축된 이터븀은 ¹⁷⁷Lu 방사성 동위원소의 제조원료(source material)로 이용된다. 상기 ¹⁷⁷Lu는 반감기(T_1/2)가 6.89일이며, 에너지가 0.421MeV와 0.133MeV인 β입자를 방출하고, 또한 에너지가 208keV와 113keV인 γ선도 동시에 방출한다. 따라서, 상기 ¹⁷⁷Lu는 치료에 적합한 β입자와 영상획득에 적합한 γ입자를 동시에 방출하기 때문에 치료(therapy)와 더불어 영상(imaging)도 동시에 얻을 수 있는 이상적인 치료용 방사성 동위원소이다.

¹⁷⁷Lu는 원자로에서 생산하는 방사성 동위원소이며, 원자로에서 ¹⁷⁷Lu를 생산 하는 방법에는 ¹⁷⁶Lu 농축표적에 중성자를 조사하여 ¹⁷⁷Lu를 생산하는 직접 생산방법(반응식: ¹⁷⁶Lu(n,γ)¹⁷⁷Lu)과, ¹⁷⁶Yb 농축표적을 원료로 사용하는 간접 생산방법(반응식: ¹⁷⁶Yb(n,γ)¹⁷⁷Yb(β^-→)¹⁷⁷Lu)이 있다. 상기 간접 생산방법은 ¹⁷⁶Yb 농축표적(enriched target)에 중성자를 조사하여 (n,γ)반응으로 ¹⁷⁷Yb로 만든 다음, 이후 상기 ¹⁷⁷Yb(반감기 1.9시간)는 β^--감쇄(β^--decay)를 통하여 ¹⁷⁷Lu가 된다. 이와 같이 중성자를 조사한 Yb로부터 ¹⁷⁷Lu를 화학적으로 분리해냄으로써 최대 1.1×10⁵Ci/g의 비방사능(specific activity)을 갖는 무매개체(carrier-free) ¹⁷⁷Lu를 얻을 수 있다. 상기 비방사능이 높은 무매개체 ¹⁷⁷Lu는 전립선암, 유방암 등에 대한 새로운 방사성 면역치료(Radioimmunotheraphy: RIT) 의약품으로 사용이 증가될 것이며, 이에 따라 제조원료인 ¹⁷⁶Yb 농축표적에 대한 수요가 증가할 것으로 예상된다.

또한, ¹⁶⁸Yb가 20%정도로 농축된 이터븀은 원자로에서 중성자를 조사하여 생산하는 ¹⁶⁹Yb 방사성 동위원소의 재료로 사용된다. 상기 ¹⁶⁹Yb는 비방사능이 높아 작은 크기의 방사선원을 만들 수 있고 베타선을 방출하지 않기 때문에 현재 비파괴 검사용으로 널리 이용되고 있는 ⁶⁰Co나 ¹⁹²Ir에 비해 매우 우수한 특성을 갖는다. 특히 상기 ¹⁶⁹Yb는 스테인레스나 지르코늄에 대한 소형 고정밀 조사기로서의 이용가능 성이 매우 높다.

현재 상업적으로 적용되고 있는 이터븀 동위원소 분리방법은 대부분 전자기적(electromagnetic: EM) 방법이다. 상기 전자기적 방법은 단일 에너지의 이터븀 이온빔이 공간적으로 균일한 자기장을 통과할 때, 운동궤적이 동위원소에 따라 공간적으로 분리되는 원리를 이용한 것이다. 이러한 전자기적 방법은 20세기 중반에 개발된 기술로서 원소의 적용성이 넓다는 장점이 있으나, 일반적으로 단위시간당 생산량이 적고 분리단가(separation cost)가 높다는 단점이 지적되고 있다.

이에 금속원소의 원자빔에 레이저를 작용시켜 표적 동위원소(target isotope)만을 선택적으로 이온화시키고, 원자빔에 전기장을 인가하여 원자증기의 흐름으로부터 표적 동위원소의 이온만을 추출해내는 원자증기 레이저 동위원소 분리(atomic vapor laser isotope separation: AVLIS) 기술이 상기 전자기적 방법의 단점을 극복할 수 있는 대안으로써 부각되었다. 예를들면, 미국특허 4,793,307호, 5,202,005호, 5,443,702호는 레이저를 이용하여 각각 수은(mercury: Hg), 가돌리늄(gadolinium: Gd), 어븀(erbium: Er) 등의 동위원소를 분리하는 방법에 관한 것이며, 일본 공개특허공보 평11-99320호는 미국특허 4,793,307호의 수은 동위원소의 광이온화 경로(photoionization pathway)와는 다른 경로를 고안하였고, 또한 대한민국 등록특허 0478533호 및 PCT 공개번호 WO04/011129호는 레이저를 이용한 탈륨 동위원소 분리방법에 관한 것이다.

이와 같이, 레이저를 이용한 동위원소 분리방법이 특정한 원소에 대하여 기술적으로 실현이 가능한지의 여부를 판단하기 위해서는 선택적 광이온화 경로를 포 함한 다양한 문제점에 대한 고찰이 요구된다. 원자빔의 발생, 광이온 생성물의 효과적인 수집 등이 여기에 포함되며, 광이온화 경로와 관계되는 각 준위의 동위원소 이동(isotope shift), 초미세구조(hyperfine structure), 에너지(energy), 각운동량(angular momentum), 수명(lifetime) 등의 원자분광 상수(atomic parameter)에 대한 지식이 요구된다.

특정원소에 대해 레이저를 이용한 동위원소 분리가 기술적으로 실현이 가능한 경우, 레이저 동위원소 분리방법으로 생산한 생산물의 가격과 타기술로 생산한 생산물의 가격을 비교하여 경제성을 분석하게 되며, 이러한 분석을 위해서는 원자빔의 특성을 결정짓는 원소의 물성은 물론 광이온화 경로와 관계되는 레이저의 수, 레이저의 출력, 선폭 등을 복합적으로 고려하여야 한다.

레이저를 이용한 이터븀 동위원소 분리방법에 관한 종래기술로는 러시아 특허 RU2119816호를 들 수 있다. 상기 종래기술은 이터븀 동위원소 분리에 관한 것으로, 0cm^-1→17992.007cm^-1→35196.98cm^-1→52353cm^-1의 이터븀 광이온화 경로를 제안하고 있다. 즉, 선폭이 좁은 555.65nm와 581.03nm 파장의 펄스형 레이저를 사용하여 표적 동위원소를 35196.98cm^-1로 여기시킨 후 582.8nm 파장의 펄스형 레이저로 52353cm^-1의 자동이온화 준위를 거쳐 이온화시키는 방법을 제시하고 있다. 이와 관련하여 펄스 레이저를 이용한 3단계 광이온화 방법에 있어서, 레이저의 선폭과 출력밀도가 동위원소 선택도에 미치는 영향을 여러 문헌을 통하여 발표된 바 있다.(G P Gupta and B M Suri, J. Phys. D, Vol. 35, 1319, 2002 및 M Sankari and M V Suryanarayana, J. Phys. B, Vol. 31, 261~273, 2002). 상기 종래기술에서 95% 이상의 순도로 상기 ¹⁷⁶Yb를 농축하기 위해서는 레이저의 선폭이 500MHz 이하로 좁아야 하며, 레이저 세기(intensity)에 의해 유도되는 파워 브로드닝(power broadening)이 광이온화 과정의 동위원소 선택도를 저하시키기 때문에 레이저 세기를 일정 수준 이하로 유지하여야 한다. 레이저를 이용한 동위원소 분리방법에서 이와 같이 레이저의 세기에 제한이 있다는 것은 생산량과 직결되는 원자의 이온화율을 낮게 하여야 한다는 것을 의미하며, 이러한 제한은 결국 시스템의 생산성을 떨어뜨리는 원인이 된다.

따라서, 상기 이터븀 동위원소 분리에 대한 종래기술은 상업적으로 생산성이 높은 기술로 실제 적용되기 위해서는 여러가지 문제점이 있는 것으로 판단된다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상업적으로 확보 가능한 레이저를 사용하여 다량의 이터븀 동위원소를 분리할 수 있는 경제성이 있는 방법을 제시하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, ¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁰Yb, ¹⁷¹Yb, ¹⁷²Yb, ¹⁷³Yb, ¹⁷⁴Yb 및 ¹⁷⁶Yb 등 7종의 동위원소를 갖는 이터븀 증기로부터 특정 이터븀 동위원소를 분리하는 방법에 있어서,

상기 이터븀 증기에 555.7nm의 파장을 갖는 제 1주파수 광자 및 1.54㎛의 파 장을 갖는 제 2주파수 광자를 적용하여 목적하는 동위원소의 바닥상태 이터븀 원자가 제 1여기상태 및 제 2여기상태를 거쳐 준안정상태의 이터븀 원자가 되도록 동위원소-선택적으로 광펌핑하는 단계;

상기 준안정상태의 이터븀 원자에 410nm와 648.9nm의 파장중 선택된 1종의 제 3주파수 광자를 적용하여 이터븀 원자를 제 3여기상태로 여기시키는 단계;

상기 제3여기상태로 여기된 이터븀 원자에 사전에 설정된 파장의 제 4주파수 광자를 적용하여 광이온화시키는 단계; 및

상기 광이온화된 이터븀 동위원소 이온을 수집하는 단계;를 포함하여 이루어지는 이터븀 동위원소 분리방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 동위원소 선택도가 높으면서 고효율의 이온화를 가능하게 하는 이터븀 동위원소의 선택적 광이온화 방법이며, 또한 상기 선택적으로 광이온화된 이터븀 동위원소 이온을 외부로 추출하는 이터븀 동위원소 분리방법이다.

즉, 본 발명은 표적 동위원소를 준안정 준위(metastable state)로 광펌핑하는 동위원소 선택적 광펌핑(isotope selective optical pumping: ISOP) 단계와, 표적 동위원소가 점유하고 있는 준안정 준위의 원자를 여기준위(excited state)를 거쳐 연속준위(continuum state) 또는 자동이온화 준위(autoionization state)로 광이온화시키는 공명 광이온화(resonance photoionization: RPI) 단계가 결합된 이터븀 동위원소의 선택적 광이온화(selective photoionization) 방법에 특징이 있다. 상업적으로 쉽게 확보할 수 있는 2대의 연속발진형 레이저를 사용하면 고효율 고선택적 동위원소 선택적 광펌핑(ISOP)이 가능하며, 이러한 과정을 통하여 준안정 준위에는 표적 동위원소만이 존재하게 된다. 또한, 상기 공명 광이온화(RPI) 과정은 준안정 준위의 원자를 이온화시키는 과정으로서, 가시광선 영역의 펄스(pulse)형 레이저 또는 적외선 영역의 펄스형 레이저를 이용하는 것이 가능하다.

본 발명에서 동위원소 선택도는 동위원소 선택적 광펌핑(ISOP) 과정에서 얻고, 공명 광이온화(RPI) 과정은 단지 광이온화를 위한 과정이기 때문에 레이저 출력에 의해 유도되는 파워 브로드닝(power broadening)이 동위원소 선택도에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 본 발명은 고효율의 이온화를 가능케 하며, 상업적인 이터븀 동위원소 생산에 매우 유리하다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하나, 이러한 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명에서는 도 1의 이터븀 원자빔 발생장치(1)를 이용하여 열적 가열방법으로 ¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁰Yb, ¹⁷¹Yb, ¹⁷²Yb, ¹⁷³Yb, ¹⁷⁴Yb 및 ¹⁷⁶Yb 등 7종의 동위원소를 갖는 이터븀 증기(이터븀 원자빔, 2)를 발생시킨다. 이때 열적 가열방법은 특별하게 제한되는 것은 아니며, 예를들면 1000℃ 이하로 이터븀을 가열하여 발생시키는 것이 가능하다. 상기와 같이 발생된 이터븀 원자빔은 원자빔의 도플러 선폭을 500MHz 이 하로 만들기 위하여 원자빔 콜리메이터(3)에 적용시킨다.

이어 본 발명에서는 상기 이터븀 증기에 555.7nm의 파장을 갖는 제 1주파수 광자 및 제 2주파수 광자를 적용함으로써, 목적하는 동위원소의 바닥상태 이터븀 원자가 제 1여기상태 및 제 2여기상태를 거쳐 준안정상태의 이터븀 원자가 되도록 동위원소-선택적으로 광펌핑하게 된다. 이때 표적 동위원소의 선택도를 보다 향상시키기 위해서는 상기 제 1주파수 광자 및 제 2주파수 광자가 연속발진형 레이저(continuous wave laser)인 것이 바람직하다. 상기 광펌핑 단계를 도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

바닥준위 |1>에 머물러 있는 이터븀 동위원소들 중에서 표적 동위원소는 555.7nm 파장의 연속발진형 레이저와 1.54㎛ 파장의 연속발진형 레이저에 의하여 |2>준위를 거쳐 |3>준위로 여기된다. 준위 |3>으로 여기된 동위원소는 여기준위 |2>를 거쳐 다시 바닥준위 |1>로 자발감쇄(spontaneous decay)하거나 또는 준안정 준위인 |4>로 광펌핑된다. 이와 같이, 파장 555.7nm와 1.54㎛의 연속발진형 레이저를 서로 교차전파(counterpropagate)시킬 경우(이중공명방법) 원자빔의 도플러 선폭이 광펌핑 과정의 동위원소 선택도에 미치는 영향을 제거할 수 있고, 이에 따라 충분한 동위원소 선택도를 확보할 수 있다. |4> 준위의 수명은 약 수 초로 매우 길기 때문에 광펌핑된 동위원소는 오래동안 |4> 준위에 머물게 된다. 또한, 바닥준위 |1>로 감쇄된 동위원소는 다시 연속발진형 레이저에 의하여 |3> 준위로 여기되며, 이와 같은 과정을 몇 차례 반복하면 대부분의 표적 동위원소가 |4> 준위로 펌핑된 다. 이때 표적 동위원소 이외의 동위원소들은 |4> 준위로 여기되지 않기 때문에 광펌핑과정에서 매우 높은 동위원소 선택도를 얻을 수 있다.

이터븀 원자는 20000cm^-1보다 낮은 에너지 영역에 바닥준위(6¹S₀: 0cm^-1)와 두개의 준안정준위(6³P₀: 17288.4cm^-1 및 6³P₂: 19710.4cm^-1), 그리고 6³P₁(17992.0cm^-1) 준위만이 존재하는 매우 간단한 전자구조를 갖는다. 바닥준위에서 시작하는 6¹S₁→6³P₁ 전이선은 전이파장이 557.5nm로서, 광통신용으로 개발하여 상용화된 1.1㎛ 파장영역의 이터븀-도핑 광섬유 레이저(Yb-doped fiber laser)를 제2고조파로 변환하면 쉽게 얻을 수 있는 파장이다. 또한, 6³P₁ 준위에서 시작하는 여기 전이선 중에서 5³D₁으로 여기되는 여기되는 6³P₁→5³D₁ 전이선은 파장이 1.54㎛로서, 상용 레이저인 어븀-도핑 광섬유 레이저(Er-dopped fiber laser)의 파장을 직접 사용하면 된다.

이터븀 원자의 경우, 5³D₁ 준위로부터 6³P₀ 준위로의 브랜칭비(branching ratio)가 6³P₂ 준위로의 브랜칭비보다 40배 이상 크기 때문에 6¹S₁→6³P₁→5³D₁ 구도의 이중공명 전이선은 6³P₂ 준위로의 광펌핑에 비해 매우 유리하다. 따라서, 555.7nm와 1.54㎛인 2개의 연속발진형 레이저를 광펌핑 레이저로 사용하는 경우, 바닥 준위의 표적 동위원소를 손쉽게 광펌핑시킬 수 있다. 또한, 1000℃ 이하의 온도에서 이터븀 원자빔을 발생시킬 경우 6³P_0,1,2 준위의 밀도는 10^-5 이하이기 때문에 상기 영역의 온도에서 6³P_0,1,2 준위의 초기밀도(initial population)는 동위원소 선택도에 영향을 미치지 않는다.

이후, 상기와 같이 동위원소-선택적으로 광펌핑된 준안정 상태의 이터븀 원자에 410nm와 648.9nm의 파장중 선택된 1종의 제 3주파수 광자를 적용함으로써 상기 이터븀 원자를 제 3여기상태로 여기시키게 된다.

이어, 상기 제 3여기상태로 여기된 이터븀 원자에 대하여, 사전에 설정된 파장의 제 4주파수 광자를 적용함으로써 상기 여기된 이터븀 원자를 광이온화시키게 된다. 이때 제 3주파수 광자로 410nm 파장의 광자를 이용한 경우에는 1.06㎛ 파장의 제 4주파수 광자를 적용하고, 제 3주파수 광자로 648.9nm 파장의 광자를 이용한 경우에는 559.5nm 파장의 제 4주파수 광자를 적용하여 상기 여기된 이터븀 원자를 광이온화시키는 것이 바람직하다.

이때 상기 제 3주파수 광자 및 제 4주파수 광자는 펄스형 레이저인 것이 보다 바람직한데, 그 이유는 펄스형 레이저가 단위시간당 출력이 높아 광이온화율이 크기 때문이다.

상기 제 3여기상태로의 여기단계 및 이후의 광이온화 단계를 도 2를 참조하 여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2의 |4> 준위로 광펌핑된 표적 동위원소는 2가지 경로를 통하여 여기준위를 거쳐 자동이온화 준위 또는 연속준위로 광이온화될 수 있다. 즉, 첫번째 경로는 |4> 준위로 광펌핑된 표적 동위원소에 410nm 파장의 제 3주파수 광자를 적용함으로써 여기준위인 |5'> 준위(41615.0cm^-1)로 여기시키고, 그 이후 1.06㎛ 파장의 제 4주파수 광자를 적용함으로써 연속준위인 |6'> 준위로 광이온화시키는 것이다. 상기 첫번째 경로는 통상적으로 많이 이용되는 파장의 레이저인 1.06㎛ 파장의 레이저를 이용한다는 점에서 이점이 있다. 또한, 두번째 경로는 |4> 준위로 광펌핑된 표적 동위원소에 648.9nm 파장의 제 3주파수 광자를 적용함으로써 여기준위인 |5> 준위(32694.7cm^-1)로 여기시키고, 그 이후 559.5nm 파장의 제 4주파수 광자를 적용함으로써 자동이온화 준위인 |6> 준위로 광이온화시키는 것이다.

이어 상기와 같이 광이온화된 이터븀 동위원소 이온(10)을 수집함으로써 이터븀 증기(2)로부터 목표 이터븀 동위원소를 분리하게 된다. 도 1의 이터븀 이온수집장치(8)는 광이온화된 이터븀 동위원소 이온을 수집하기 위한 것으로, 상기 이터븀 이온수집장치(8)에서는 광이온화된 이터븀 동위원소 이온에 전기장을 인가하여 광이온화된 이터븀 동위원소 이온을 추출하게 된다.

도 3은 광펌핑 전이에 관련된 이터븀 에너지 준위의 동위원소 이동과 초미세 구조를 나타내고 있다. 즉, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 6¹S₁→6³P₁ 전이선의 동위원소 이동은 약 1GHz이고, 6³P₁→5³D₁ 전이선의 동위원소 이동은 약 0.15GHz이다. 따라서, 도플러 선폭이 약 500MHz 이하가 되도록 원자빔을 발생시키고, 표적 동위원소를 파장 555.7nm와 1.54㎛인 단일 주파수(single frequency)의 연속발진형 레이저를 이용하여 6³P₀ 준위로 광펌핑할 경우 매우 높은 동위원소 선택도를 얻을 수 있으며, 90% 이상의 광펌핑 효율을 얻을 수 있다.

도 4는 6¹S₁→6³P₁→5³D₁ 전이선을 광펌핑 전이선으로 사용하고, 출력이 1W인 2대의 연속발진형 레이저가 직경이 10mm인 가우시안 세기(Gaussian intensity) 모양을 가질 때의 광펌핑 스팩트럼을 계산한 결과이며, 광펌핑 스팩트럼의 폭이 약 23MHz로 나타났다. 따라서, 이터븀 동위원소 이동이 약 1GHz 내외임을 감안할때, 동위원소 선택도가 매우 높음을 알 수 있다.

도 5(a)는 비선택적으로 광이온화된 이터븀 원자의 질량 스팩트럼이며, 도 5(b)는 본 발명에 따라 이터븀 동위원소를 광이온화시키고 TOF(time-of-flight) 질량분석기로 광이온의 질량 스팩트럼을 측정한 결과이다. 상기 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 광펌핑 레이저인 연속발진형 레이저의 파장에 따라 특정한 이터븀 동위원소를 손쉽게 선택적으로 광이온화시킬 수 있었다. ¹⁷⁶Yb 동위원소의 분리에 본 발명의 방법을 적용하여 연간 1kg/year 생산을 목표로 할 경우 연속발진형 레이 저는 약 500mW의 출력으로 가능하며, 여기용 가시광선 펄스형 레이저는 약 4W, 광이온화용 적외선 펄스형 레이저는 약 400W 정도에서 펄스반복율은 5kHz 내외면 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상기한 설명은 본 발명을 예시하고 설명하기 위하여 제공된 것이다. 따라서, 상기한 설명은 상기에서 제시된 정확한 형태로 본 발명을 총망라하거나 제한하도록 의도된 것이 아니며, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기한 바를 기초로 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 그 변형 또는 변경이 가능한 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 상업적으로 확보 가능한 레이저 장치를 이용하여 소규모의 분리장치로 다량의 이터븀 동위원소를 생산하는 것이 가능하다.

Claims (11)

¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁰Yb, ¹⁷¹Yb, ¹⁷²Yb, ¹⁷³Yb, ¹⁷⁴Yb 및 ¹⁷⁶Yb 등 7종의 동위원소를 갖는 이터븀 증기로부터 특정 이터븀 동위원소를 분리하는 방법에 있어서,

상기 이터븀 증기에 555.7nm의 파장을 갖는 제 1주파수 광자 및 1.54㎛의 파장을 갖는 제 2주파수 광자를 적용하여 목적하는 동위원소의 바닥상태 이터븀 원자가 제 1여기상태 및 제 2여기상태를 거쳐 준안정상태의 이터븀 원자가 되도록 동위원소-선택적으로 광펌핑하는 단계;

상기 준안정상태의 이터븀 원자에 410nm와 648.9nm의 파장중 선택된 1종의 제 3주파수 광자를 적용하여 이터븀 원자를 제 3여기상태로 여기시키는 단계;

상기 제3여기상태로 여기된 이터븀 원자에 사전에 설정된 파장의 제 4주파수 광자를 적용하여 광이온화시키는 단계; 및

상기 광이온화된 이터븀 동위원소 이온을 수집하는 단계;를 포함하여 이루어지는 이터븀 동위원소 분리방법.

제 1항에 있어서, 상기 제 1주파수 광자 및 상기 제 2주파수 광자는 연속발진형 레이저(continuous wave laser) 시스템에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 이터븀 동위원소 분리방법.

제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 광펌핑 단계는 상기 제 1주파수의 광자와 상기 제 2주파수의 광자가 상기 이터븀동위원소를 바닥상태에서 그 바닥상태의 제로(0)에너지에 대하여 에너지 17992.0cm^-1의 제 1여기상태 및 에너지 24489.1cm^-1의 제 2여기상태를 통해 에너지 17288.4cm^-1의 준안정상태로 동위원소-선택적으로 광펌핑함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 이터븀 동위원소 분리방법.

제 1항에 있어서, 상기 제 3주파수 광자의 파장이 410nm일때 제 4주파수 광자의 파장이 1.06㎛임을 특징으로 하는 이터븀 동위원소 분리방법.

제 1항에 있어서, 상기 제 3주파수 광자의 파장이 648.9nm일때 제 4주파수 광자의 파장이 559.5nm임을 특징으로 하는 이터븀 동위원소 분리방법.

제 1항, 제 4항 내지 제 5항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제 3주파수 광자 및 제 4주파수 광자는 펄스형 레이저 시스템에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 이터븀 동위원소 분리방법.

제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 제 3주파수 광자에 의한 준안정상태에서 제 3여기상태로의 여기는 에너지 17288.4cm^-1의 준안정상태에서 상기 바닥상태의 제 로(0)에너지에 대하여 에너지 41615.0cm^-1의 제 3여기상태로 여기시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 이터븀 동위원소 분리방법.

제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 제 3주파수 광자에 의한 준안정상태에서 제 3여기상태로의 여기는 에너지 17288.4cm^-1의 준안정상태에서 상기 바닥상태의 제로(0)에너지에 대하여 에너지 32694.7cm^-1의 제 3여기상태로 여기시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 이터븀 동위원소 분리방법.

제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 제 4주파수 광자에 의한 광이온화 단계는 상기 제 4주파수의 광자를 적용하여 에너지 41615.0cm^-1의 제 3여기상태에 있는 이터븀 원자를 상기 바닥상태의 제로(0)에너지에 대하여 에너지 50441.0~56000cm^-1의 영역에 있는 연속준위를 통하여 이온화시키는 것을 특징으로 하는 이터븀 동위원소 분리방법.

제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 제 4주파수 광자에 의한 광이온화 단계는 상기 제 4주파수의 광자를 적용하여 에너지 32694.7cm^-1의 제 3여기상태에 있는 이터븀 원자를 상기 바닥상태의 제로(0)에너지에 대하여 에너지 50567.6cm^-1의 자동 이온화준위를 통하여 이온화시키는 것을 특징으로 하는 이터븀 동위원소 분리방법.

제 1항에 있어서, 상기 광이온화된 이터븀 동위원소 이온을 수집하는 단계는 상기 이터븀 증기에 전기장을 인가하여 수행됨을 특징으로 하는 이터븀 동위원소 분리방법.

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