WO2012114805A1 - 光化学反応装置及び光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法 - Google Patents

光化学反応装置及び光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a photochemical reaction apparatus using laser light and an isotope enrichment method using the photochemical reaction apparatus.
  • photochemical reaction devices There are roughly two types of photochemical reaction devices that use laser light.
  • One is a one-pass system in which laser light is passed only once through a photochemical reaction vessel called a photochemical reaction cell, and the other is a multi-reflection system in which laser light is reflected a plurality of times.
  • the multiple reflection method is a method that is optically complicated and requires precision, such as positioning of a reflection mirror to be installed, but laser light can be efficiently used for a photochemical reaction.
  • a commercially available multiple reflection cell for gas analysis (for example, White cell; White is a person's name) has an optical path length of 200 to 300 m, and this cell reflects light 200 to 300 times.
  • Light absorption in the case of using the multiple reflection method is expressed by Lambert-Beer's law as shown in the following equation (1).
  • I 0 is the initial light amount [W]
  • I (z) is the light amount [W] at the optical path length z [cm]
  • ⁇ is the light absorption cross section [cm 2 / molecule]
  • N is the molecular density. [Molecules / cm 3 ].
  • the light absorption increases as the optical path length z increases.
  • the light utilization rate ⁇ is expressed by the following equation (2) (provided that ⁇ Nz ⁇ 1), and is large in proportion to the optical path length z.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a method of concentrating 17 O and 18 O by irradiating ozone molecules containing oxygen isotopes 17 O and 18 O with laser light and selectively decomposing these ozone molecules.
  • the light absorption cross section ⁇ at a wavelength with relatively large absorption in the ozone band has a small value of 10 ⁇ 23 cm 2 / molecule (water Therefore, the optical path length of the photochemical reaction cell is preferably 1000 m or more. Therefore, when performing a photochemical reaction having a small light absorption cross section as described above, it is advantageous to use a multi-reflection type cell as the photochemical reaction cell.
  • the dielectric multilayer film has a high reflectance of 0.9999 or more, but there is a problem that the reflectance decreases when the incident angle is large. Therefore, in order to apply the dielectric multilayer film to the multiple reflection type photochemical reaction device, there are difficult problems such as a laser incident method and optical axis adjustment.
  • a dielectric multilayer film used for cavity ring-down spectroscopic analysis has a high reflectance of 0.9999 or more.
  • the transmission loss is large because the transmittance is several percent or less. Therefore, the dielectric multilayer film can be used for spectroscopic analysis, but is not suitable for photochemical reaction.
  • an object of the present invention is to provide a photochemical reaction device capable of increasing the utilization efficiency of laser light in a photochemical reaction, and an isotope enrichment method using the photochemical reaction device.
  • the first aspect of the present invention provides the following photochemical reaction apparatus.
  • the metal mirror that reflects the laser beam, the light-transmitting reaction container, the metal mirror, and a cryogenic liquid are contained, and the temperature of the metal mirror is reduced to a cryogenic temperature by the cryogenic liquid.
  • a cryostat for holding the photochemical reaction device.
  • the photochemical reaction device of (1) preferably has the following characteristics.
  • the temperature of the metal mirror is 100K or less.
  • the photochemical reaction device shown in the above (1) to (2) has a vacuum heat insulating space between the light transmissive reaction container and the metal mirror.
  • the metal constituting the metal mirror is any one of gold, silver, copper, and aluminum.
  • the purity of the metal is 99.9999 or more.
  • the metal mirror is a metal film.
  • the light-transmitting reaction container is made of quartz glass or acrylic resin.
  • the photochemical reaction device shown in the above (1) to (7) has a laser beam waveguide member that irradiates the process gas with the laser beam.
  • the photochemical reaction device shown in the above (1) to (8) is the same type of metal that constitutes the metal mirror and is made of a metal having a lower purity than the metal that constitutes the metal mirror, A metal container that is housed in the cryostat and that houses the light-transmissive reaction container; and The metal mirror is disposed so as to cover the inner surface of the metal container.
  • the photochemical reaction device shown in the above (1) to (8) has a quartz glass container that is accommodated in the cryostat, accommodates the light-transmissive reaction container, and transmits the laser light. And
  • the metal mirror is disposed so as to cover the inner surface of the quartz glass container or the outer surface of the quartz glass container.
  • the quartz glass container is made of high purity quartz glass having a purity of 99% or more and a light transmission loss of 0.1 dB / m or less.
  • the laser beam waveguide member is arranged in the light-transmitting reaction container.
  • the laser light waveguide member is disposed in the vacuum heat insulating space.
  • the laser beam waveguide member is an optical fiber.
  • a quartz glass container that transmits the laser light and surrounds the light transmissive reaction container is provided between the light transmissive reaction container and the metal mirror.
  • a vacuum heat insulating space is disposed between the light transmitting reaction vessel and the quartz glass vessel.
  • the laser light waveguide member is disposed outside the quartz glass container.
  • the quartz glass container is made of high-purity quartz glass having a purity of 99% or more and a light transmission loss of 0.1 dB / m or less.
  • the light-transmitting reaction container is made of high-purity quartz glass having a purity of 99% or more and a light transmission loss of 0.1 dB / m or less.
  • the cryostat contains a first container that contains the cryogenic liquid, a second container that contains the first container, And a vacuum heat insulating space provided between the first container and the second container.
  • the photochemical reaction device of (20) has a reliquefaction device that is connected to the first container and reliquefies the gas formed from the cryogenic liquid.
  • cryogenic liquid is liquid helium.
  • the second aspect of the present invention provides the following isotope enrichment method.
  • (23) An isotope enrichment method using any one of the photochemical reaction apparatuses of (1) to (22), wherein a mixed gas of O 3 and CF 4 is used as the process gas, and the light transmissive reaction is performed.
  • the isotope enrichment method of (23) preferably has the following characteristics.
  • the wavelength region of the laser beam used for the photolysis is 500 nm or more.
  • the wavelength region of the laser beam at the time of the photolysis is 700 to 1500 nm.
  • the reflectivity of the laser light of the metal mirror is obtained by cooling the metal mirror to a cryogenic temperature using a cryogenic liquid. Can be increased. Thereby, the utilization efficiency of the laser beam in the photochemical reaction can be increased.
  • the reflectance of the metal in the infrared and near infrared (wavelength of about 800 nm or more) can be obtained by the Hagen-Rubens equation shown in the following equation (3).
  • R is the reflectance
  • ⁇ 0 is the vacuum dielectric constant [F / m]
  • c is the speed of light [m / s]
  • ⁇ is the wavelength of light [m]
  • ⁇ is the electrical resistivity [ ⁇ m].
  • the above expression (3) can be expressed by the following expression (4).
  • the second term on the right side corresponds to eddy current loss, and the smaller the specific resistance, the higher the reflectance.
  • Light is an electromagnetic wave
  • high-purity copper has a specific resistance ⁇ 10 ⁇ 8 ⁇ m at room temperature (for example, 20 ° C.), and when the wavelength ⁇ is 1000 nm, the second term on the right side of the above equation (3) is 0.0364. Become. Therefore, the reflectance R is a value shown in the following equation (5).
  • FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the reflectance and wavelength of gold, silver, and copper at room temperature (for example, 20 ° C.).
  • FIG. 1 quotes the data described in the science chronology (National Astronomical Observatory data book). Referring to FIG. 1, in the region where the wavelength is 800 nm or more, the reflectance is in the order of silver>copper> gold, and the specific resistance is in the order of silver ⁇ copper ⁇ gold. It is established.
  • the specific resistance ⁇ is expressed by the following equation (6), and decreases as the temperature T [K] decreases in accordance with Matthissen's rule (Matthissen's rule).
  • the specific resistance ⁇ becomes a constant value called residual resistance ⁇ r [ ⁇ m].
  • ⁇ r takes a value due to impurities in metal, lattice defects, etc., and the higher the purity, the smaller the value at an extremely low temperature.
  • the cryogenic liquid here means a liquefied gas having a standard boiling point of 100K or less, such as liquid nitrogen, liquid oxygen, liquid argon, liquid hydrogen, liquid helium, and the like.
  • a temperature region in which such a liquid is used is called a very low temperature.
  • ⁇ ph (T) is a term due to phonon scattering and has temperature dependence.
  • FIG. 2 is a diagram showing specific resistances of copper and aluminum at extremely low temperatures. Note that FIG. 2 is quoted from the Superconductivity / Cryogenic Engineering Handbook (Cryogenic Engineering Association, published by Ohm Co., Ltd.). The RRR (Residual Resistivity Ratio) shown in FIG. 2 is expressed by the following equation (7).
  • the reflectance R has an excellent feature that does not depend on the incident angle of light.
  • a metal mirror made of any material of gold, silver, and aluminum also has a reflectivity R of 0.9 to 0.99 at room temperature (for example, 20 ° C.), similarly to the metal mirror made of copper.
  • the reflectance R can be increased to 0.99 to 0.999 or more. Therefore, the use efficiency of light in the photochemical reaction can be increased by using the metal mirror having an extremely low temperature for the photochemical reaction.
  • the metal used as the material of the metal mirror may be arbitrarily selected as long as there is no problem, but any one of copper, gold, silver, and aluminum is preferably used.
  • copper, gold, silver, aluminum and the like having a purity of 99.9999% or more are preferable.
  • liquid helium temperature of 4.2 K
  • the metal mirror may be cooled so that the temperature is about 40K.
  • the reflectance R becomes a value close to 0.99, and the number of reflections can be secured about 100 times. Therefore, the use efficiency of light in the photochemical reaction can also be increased by using a metal mirror cooled to about 100K for the photochemical reaction.
  • the temperature of the photochemical reaction cell that performs the photochemical reaction needs to be a temperature suitable for the photochemical reaction. That is, the photochemical reaction is carried out in a gas state, but there is a problem that most of the gas is solidified at the temperature of liquid helium.
  • the material of the photochemical reaction cell must transmit laser light without loss.
  • the material of the photochemical reaction cell (light-transmitting reaction container 21 shown in FIGS. 3 to 7 described later) is used in an optical fiber, has a purity of 99% or more, and transmits light.
  • High-purity synthetic quartz glass or acrylic resin having a loss of 0.1 dB / m or less can be used.
  • a process gas necessary for performing the photochemical reaction is enclosed in a container made of high-purity quartz glass (a light-transmitting reaction container 21 shown in FIGS. 3 to 7 described later).
  • a first vacuum heat insulating space may be provided between the metal mirror and the light-transmitting reaction container made of quartz glass. Further, the first vacuum heat insulating space may be filled with a rare gas having poor thermal conductivity.
  • the optical loss of quartz glass used for the optical fiber is very small as several dB per 1 km, and is much smaller than the optical loss due to the multiple reflection of the reflection mirror, so that it does not cause a problem.
  • the laser light is reflected by several percent on the surface (both outer surface and inner surface) of the light transmissive reaction container 21 (the rest is transmitted through the light transmissive reaction container 21).
  • the laser light is used without waste because the process gas in the light transmissive reaction container 22 is irradiated with the light, such as being reflected by the light transmissive reaction container 21.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the photochemical reaction device according to the first embodiment of the present invention.
  • the photochemical reaction device 10 in FIG. 3 includes a cryostat 11, a lid 13, an annular member 15, a metal container 16, a flange 17, a metal mirror 19, a light-transmitting reaction container 21, and a first vacuum.
  • the heat insulating space 23, the heater wire 24, the laser light waveguide member 25, the reliquefaction device 26, and the conduit 27 are included.
  • the cryostat 11 includes a first container 31, a second container 32, and a second vacuum heat insulating space 33.
  • the first container 31 is a container that contains the cryogenic liquid 12.
  • the second container 32 is disposed so as to surround the outer wall of the first container 31 while being separated from the first container 31.
  • the second container 32 accommodates the first container 31.
  • the second container 32 is configured integrally with the first container 31.
  • the shape of the 1st container 31 and the 2nd container 32 can be selected arbitrarily, and a cylinder, a square pillar, etc. can be mentioned as an example.
  • the second vacuum heat insulating space 33 is an airtight space provided between the first container 31 and the second container 32.
  • the second vacuum heat insulating space 33 is a vacuum. In this way, by providing the second vacuum heat insulating space 33 that is evacuated between the first container 31 and the second container 32, the cryogenic liquid 12 contained in the first container 31 is provided. An increase in temperature can be suppressed.
  • the cryostat 11 configured as described above uses the cryogenic liquid 12 to cool and hold the temperature of the metal mirror 19 at an extremely low temperature (100K or less).
  • “maintaining the temperature of the metal mirror at a cryogenic temperature” means “the metal mirror is kept cooled by a cryogenic liquid directly or indirectly through a container provided with the metal mirror. "Means.
  • the metal mirror may be cooled to a general cryogenic temperature, but may be not cooled to a general cryogenic temperature as long as the effect is obtained, and any temperature can be selected. Moreover, as long as an effect is acquired, the temperature of a metal mirror may be uniform throughout, or may differ partially. If the example of the preferable cooling temperature of a metal mirror is given, as above-mentioned, generally it is 100K or less, More preferably, it is 40K or less, and it is still more preferable that it is liquid helium temperature (4.2K). The amount and type of the cryogenic liquid 12 can be arbitrarily selected, and the method and timing of supplying the cryogenic liquid 12 to the container 31 can be arbitrarily selected as long as there is no problem.
  • the temperature of the cooled metal mirror 19 can be selected according to the purpose, and can be appropriately selected within a range of, for example, 100K or less.
  • the cryogenic liquid 12 for example, liquid helium (temperature 4.2K) can be preferably used.
  • the lid 13 is provided at the upper end of the cryostat 11. Thereby, the space 31A (the space in which the cryogenic liquid 12 and the metal container 16 are accommodated) in the first container 31 is hermetically sealed.
  • the lid 13 has a through portion 13A for allowing the annular member 15 to penetrate therethrough.
  • the annular member 15 is fixed to the penetrating portion 13 ⁇ / b> A so as to penetrate the lid body 13.
  • the upper end of the annular member 15 has a penetrating portion 15A for penetrating a tubular portion 35, which will be described later, constituting the light transmissive reaction vessel 21.
  • the lower end of the annular member 15 is an open end.
  • the metal container 16 is accommodated in the first container 31 (space 31 ⁇ / b> A) so that a part of the metal container 16 is immersed in the cryogenic liquid 12.
  • the upper end of the metal container 16 is fixed to the lower end of the annular member 15 by a flange 17.
  • a fixing method using the flange 17 a welding flange, a screwed flange, or the like can be used.
  • the flange 17 is provided at the joint between the metal container 16 and the annular member 15.
  • the metal container 16 accommodates the light-transmitting reaction container 21 with a gap interposed between the metal container 16 and the light-transmitting reaction container 21.
  • the metal container 16 is made of the same type of metal as that constituting the metal mirror 19 and a metal having a purity lower than that of the metal constituting the metal mirror 19.
  • the metal used as the material of the metal container 16 can be arbitrarily selected. For example, any one of gold, silver, copper, and aluminum can be used. When gold, silver, copper, aluminum, or the like is used as a metal that is a material of the metal container 16, the purity of the metal can be within a range of 99.9999% or more.
  • the metal mirror 19 is provided so as to cover the inner surface 16a of the metal container 16.
  • the metal mirror 19 is arranged outside the light transmissive reaction container 21 so as to surround the light transmissive reaction container 21 with a space therebetween.
  • the metal mirror 19 reflects the laser beam emitted from the laser beam waveguide member 25 to irradiate the reflected laser beam to the process gas sealed or distributed in the light-transmissive reaction vessel 21.
  • the metal constituting the metal mirror 19 can be, for example, 99.9999 or more.
  • the reflectance R of the surface of the metal mirror 19 may be 0.9999 or more. it can. Since the reflectance R has an excellent feature that does not depend on the incident angle of the laser light, the shape of the inner surface of the metal container 16 can be freely selected.
  • the shape of the inner surface of the metal container 16 is advantageous from the viewpoint of increasing the optical path length, but may be other shapes such as a cylindrical shape or a rectangular shape (a rectangular parallelepiped). Further, there is no need to worry about the spread angle and the optical axis of the laser light emitted from the laser light waveguide member 25. Since most of the irradiated laser light is attenuated by the number of reflections, it can be used for photochemical reaction by multiple reflection to the limit.
  • the metal mirror 19 examples include a metal film (specifically, a gold film, a silver film, a copper film, and the like) formed by a method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a plating method, a coating method, and a vapor deposition method.
  • a metal film specifically, a gold film, a silver film, a copper film, and the like
  • An aluminum film or the like can be used.
  • the thickness of the metal film can be arbitrarily selected, for example, 0.02 to 10 ⁇ m.
  • the thickness of the metal film can be arbitrarily selected, for example, 20 nm to 1 mm (or 1 mm or more).
  • the light-transmitting reaction container 21 has a tubular portion 35 and a reaction chamber 36.
  • the tubular portion 35 is fixed to the through portion 15 ⁇ / b> A and extends inside the metal container 16.
  • the inner diameter of the tubular portion 35 is configured to be narrower than the inner diameter of the reaction chamber 36.
  • one end portion has a process gas supply device (not shown) for supplying a process gas, a process gas recovery device (not shown), and / or an open / close valve or the like communicating with these.
  • the other end portion is connected to the reaction chamber 36.
  • the reaction chamber 36 is accommodated in the metal container 16 with a gap interposed between the metal mirror 19 and the reaction chamber 36.
  • the reaction chamber 36 is configured integrally with the tubular portion 35.
  • the process gas is photochemically reacted by laser light.
  • the material for the light transmissive reaction vessel 21 can be arbitrarily selected, but it is preferable to use high purity quartz glass having a purity of 99% or more and a light transmission loss of 0.1 dB / m or less, or an acrylic resin.
  • the first vacuum heat insulation space 23 is provided between the light transmissive reaction container 21 and the metal mirror 19.
  • the 1st vacuum heat insulation space 23 is the space made into the vacuum. As described above, by providing the first vacuum heat insulating space 23 between the light transmissive reaction container 21 and the metal mirror 19, the light transmissive reaction container 21 is hardly cooled by the cryogenic liquid 12. Is possible. Thereby, it can suppress that the process gas supplied in the light transmissive reaction container 21 is solidified.
  • the heater wire 24 is wound around the outer wall 36 a of the reaction chamber 36.
  • the reaction chamber 36 can be heated by winding the heater wire 24 around the outer wall 36a of the reaction chamber 36, the temperature in the reaction chamber 36 is adjusted to a temperature suitable for the photochemical reaction. Can do.
  • the laser light waveguide member 25 is disposed inside the tubular portion 35 and above the reaction chamber 36.
  • the laser light waveguide member 25 has a laser irradiation surface 25a for irradiating the tip 25A with laser light.
  • the laser light waveguide member 25 is an optical system device configured by a lens, a mirror, or the like, and is a member for introducing laser light into the light transmissive reaction container 21.
  • the laser beam waveguide member 25 can be arbitrarily selected, but an optical fiber is preferable.
  • FIG. 1 as an example, the case where the laser beam is irradiated from the laser irradiation surface 25a is illustrated, but a lens (not shown) is arranged at the tip 25A of the laser beam waveguide member 25.
  • the laser beam may be parallel light.
  • the reliquefaction device 26 is provided outside the cryostat 11.
  • the reliquefaction device 26 is connected to a conduit 27 that penetrates the side wall of the cryostat 11 and is connected to the space 31 ⁇ / b> A in the first container 31.
  • the reliquefaction device 26 is a device that cools the evaporated cryogenic liquid 12 with a pulse tube refrigerator or a Gifford-McMahon refrigerator and reliquefies it back to the cryogenic liquid 12.
  • the reliquefaction device 26 and the pipe line 27 may be provided with an opening / closing part (not shown).
  • a light transmitting reaction vessel 21 that photochemically reacts a process gas supplied inside with a laser beam, and a light transmitting reaction vessel 21 outside the light transmitting reaction vessel 21.
  • a metal mirror 19 disposed so as to surround the transmissive reaction container 21 and reflecting the laser beam; a metal container 16;
  • the cryostat 11 is configured to accommodate the light transmissive reaction vessel 21, the metal mirror 19, and the cryogenic liquid 12, and holds the temperature of the metal mirror 19 at an extremely low temperature (a temperature of 100 K or less) by the cryogenic liquid 12.
  • liquid helium temperature 4.2 K
  • cooling the metal mirror 19 to a temperature close to that of liquid helium a high reflectance R of 0.9999 or more can be realized.
  • the utilization efficiency of the laser beam in the photochemical reaction can be increased to the limit.
  • a mixed gas of CF 4 and ozone (O 3 ) is used as a process gas, but it goes without saying that the present invention can also be applied to cases where other process gases are used.
  • a mixed gas of CF 4 and ozone (O 3 ) is supplied as a process gas to the reaction chamber 36 of the light transmissive reaction vessel 21.
  • the laser light waveguide member 25 irradiates the mixed gas supplied into the reaction chamber 36 with laser light, and ozone containing 17 O or 18 O which is an oxygen isotope contained in ozone by a photochemical reaction.
  • the isotopologue is selectively photodegraded to oxygen. That is, ozone containing the target oxygen isotope in the molecule is selectively decomposed into oxygen.
  • the reflectivity of the laser beam is increased by reflecting the laser beam using the metal mirror 19 cooled to a very low temperature (100K or less), so that the laser beam in the photochemical reaction is reflected.
  • Use efficiency can be increased.
  • the wavelength region of the laser light can be arbitrarily selected, but it is optimal to use 500 to 1500 nm where the optical loss of the optical fiber is small.
  • a laser beam can be introduced by using a reflecting mirror or a lens.
  • the wavelength region of the laser beam should be 800 nm or more where the reflectance of the metal mirror 19 is high. preferable.
  • the wavelength region of the laser beam when the photochemical reaction is performed using a mixed gas of ozone and CF 4 as a process gas is preferably 700 to 1200 nm called “Wulf Band”.
  • oxygen in the mixed gas is separated from undecomposed ozone and CF 4 .
  • 17 O or 18 O which is an oxygen isotope, can be concentrated in the separated oxygen.
  • ozone (with the photochemical reaction device 10 that reflects laser light by the metal mirror 19 cooled to an extremely low temperature (100K or less) is used.
  • a mixed gas in which O 3 ) and CF 4 are mixed is supplied as a process gas to the reaction chamber 36 of the light transmissive reaction vessel 21, and then the mixed gas is irradiated with a laser beam so that the oxygen isotope 17 O or By selectively photolyzing ozone containing 18 O, the oxygen isotope 17 O or 18 O can be concentrated while increasing the utilization efficiency of laser light in the photochemical reaction.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a photochemical reaction device according to the second embodiment of the present invention.
  • the same components as those of the photochemical reaction device 10 of the first embodiment shown in FIG. 4 are identical components as those of the photochemical reaction device 10 of the first embodiment shown in FIG.
  • the photochemical reaction device 40 of the second embodiment shown in FIG. 4 is provided with a gas supply pipe 41 in the configuration of the photochemical reaction device 10 of the first embodiment, and the laser light waveguide member 25 is the first. Except that the heater wire 24 provided in the photochemical reaction device 10 is excluded from the constituent elements, and is disposed in the vacuum heat insulating space 23 (between the light transmissive reaction vessel 21 and the metal mirror 19). It is configured in the same way.
  • the gas supply pipe 41 is disposed in the light transmissive reaction container 21.
  • the gas supply pipe 41 is connected to a process gas supply source (not shown) that supplies process gas.
  • a tip 41 ⁇ / b> A of the gas supply pipe 41 (a portion for supplying a process gas into the reaction chamber 36) is disposed at a location near the bottom of the reaction chamber 36.
  • gas is discharged from the gap between the gas supply pipe 41 and the tubular portion 35.
  • the laser light waveguide member 25 is disposed in the first vacuum heat insulating space 23 provided between the light transmissive reaction container 21 and the metal mirror 19. Since the process gas does not come into contact with the laser beam waveguide member 25, contamination of the process gas caused by the laser beam waveguide member 25 can be prevented.
  • the photochemical reaction device 40 of the second embodiment can obtain the same effects as the photochemical reaction device 10 of the first embodiment. Specifically, since the reflectance of the laser beam of the metal mirror 19 can be increased, the utilization efficiency of the laser beam in the photochemical reaction can be increased.
  • the isotope enrichment method using the photochemical reaction device 40 of the second embodiment can be performed by the same method as the isotope enrichment method using the photochemical reaction device 10 described in the first embodiment.
  • the same effect as the isotope enrichment method using the photochemical reaction device 10 can be obtained.
  • the heater wire 24 shown in FIG. 1 may be provided.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a photochemical reaction device according to the third embodiment of the present invention.
  • the same components as those of the photochemical reaction device 40 of the second embodiment shown in FIG. 5 are identical components as those of the photochemical reaction device 40 of the second embodiment shown in FIG.
  • the photochemical reaction device 45 of the third embodiment shown in FIG. 5 is different from the photochemical reaction device 40 of the second embodiment except that a quartz glass container 46 is provided instead of the metal container 16 provided in the photochemical reaction device 40 of the second embodiment.
  • the same configuration as that of the photochemical reaction device 40 is performed.
  • the quartz glass container 46 is accommodated in the cryostat 11 and also accommodates the light transmissive reaction container 21.
  • the quartz glass container 46 is made of high-purity quartz glass that transmits laser light, has a purity of 99% or more, and has a light transmission loss of 0.1 dB / m or less.
  • the quartz glass constituting the quartz glass container 46 can have a smaller heat capacity than the metals constituting the metal container 16 (for example, gold, silver, copper, aluminum, etc.).
  • the metal mirror 19 is provided so as to cover the inner surface 46 a of the quartz glass container 46.
  • a metal film formed by a coating method or a vapor deposition method for example, a gold film, a silver film, a copper film, an aluminum film, etc. having a purity of 99.9999% or more
  • the thickness of the metal film can be set to 0.02 to 10 ⁇ m, for example.
  • the quartz glass instead of the metal container 16, by providing the quartz glass container 46 that accommodates the light transmissive reaction container 21, the quartz glass has a heat capacity as compared with the metal. Since it is small, the metal mirror 19 can be efficiently cooled by the cryogenic liquid 12. Further, by providing the metal mirror 19 on the inner surface 46 a of the quartz glass container 46, it becomes possible to reduce the tensile stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the quartz glass container 46 and the metal mirror 19. A decrease in reflectance R can be suppressed.
  • the isotope enrichment method using the photochemical reaction device 45 of the third embodiment can be performed by the same method as the isotope enrichment method using the photochemical reaction device 10 described in the first embodiment. . Further, in the photochemical reaction device 45 of the third embodiment, the heater wire 24 shown in FIG. 1 may be provided.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a photochemical reaction device, which is a modification of the third embodiment of the present invention.
  • the same components as those of the photochemical reaction device 45 of the third embodiment shown in FIG. 6 are identical components as those of the photochemical reaction device 45 of the third embodiment shown in FIG. 6
  • a photochemical reaction device 50 which is a modification of the third embodiment shown in FIG. 6, has a metal mirror 19 provided in the photochemical reaction device 45 of the third embodiment in a quartz glass container instead of the inner surface.
  • 46 external container: first quartz glass container
  • the photochemical reaction device 50 which is a modification of the third embodiment having such a configuration, has a quartz glass container 46 that accommodates the light-transmitting reaction container 21, so that a metal mirror is used by the cryogenic liquid 12. 19 can be efficiently cooled.
  • the isotope enrichment method using the photochemical reaction device 50 according to the modification of the third embodiment is the same method as the isotope enrichment method using the photochemical reaction device 10 described in the first embodiment. Can be performed. Further, in the photochemical reaction device 50 according to the modification of the third embodiment, the heater wire 24 shown in FIG. 1 may be provided.
  • FIG. 7 is sectional drawing which shows schematic structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on the 4th Embodiment of this invention.
  • the same components as those of the photochemical reaction device 40 of the second embodiment shown in FIG.
  • the photochemical reaction device 55 of the fourth embodiment shown in FIG. 7 is provided with a quartz glass container 57 in the configuration of the photochemical reaction device 40 of the second embodiment, and a part of the laser light waveguide member 25 is made of metal.
  • the structure is the same as that of the photochemical reaction apparatus 40 except that the container 61 is provided and the annular member 15 and the flange 17 provided in the photochemical reaction apparatus 40 are excluded from the constituent elements.
  • the quartz glass container 57 is provided between the light transmissive reaction container 21 and the metal mirror 19.
  • the quartz glass container 57 is disposed so as to surround the light transmissive reaction container 21.
  • the quartz glass container 57 transmits laser light.
  • the quartz glass container 57 is made of high-purity quartz glass having a purity of 99% or more and a light transmission loss of 0.1 dB / m or less.
  • a first vacuum heat insulating space 23 is provided between the light transmissive reaction vessel 21 and the quartz glass vessel 57.
  • the light transmissive reaction vessel 21 and the quartz glass vessel 57 may be combined at an arbitrary position to form the first vacuum heat insulating space 23.
  • the space between the quartz glass container 57 and the metal mirror 19 is not evacuated.
  • the metal container 61 is fixed to the first container 31 by an arbitrary method so as to surround the quartz glass container 57 (the fixing method is not shown).
  • the metal container 61 is provided with a penetrating portion 62 for disposing the tip 25A of the laser light waveguide member 25 from the outside of the metal container 61 in a space provided between the quartz glass container 57 and the metal mirror 19. ing.
  • the laser light waveguide member 25 is disposed outside the quartz glass container 57.
  • the same metal as that of the metal container 16 described in the second embodiment can be used.
  • the quartz glass container 57 surrounding the light transmissive reaction container 21 is provided, and the first transparent glass container 57 is disposed between the light transmissive reaction container 21 and the quartz glass container 57.
  • the vacuum heat insulating space 23 By disposing the vacuum heat insulating space 23, it is not necessary to evacuate the metal container 61. In other words, there is no need to hermetically seal the inside of the metal container 61.
  • the metal container 61 can be comprised by assembling a plurality of divided members.
  • a sufficient space for arranging a heat insulating jacket for using the optical fiber as the laser light waveguide member 25 at a constant temperature can be secured.
  • the metal container 61 and the cryostat 11 are appropriately provided with a window for irradiating laser light (a window through which laser light can be transmitted), a mirror for reflecting the laser light, and the like.
  • the heater wire 24 shown in FIG. 1 may be provided.
  • the case where one optical fiber is used as the laser light waveguide member 25 has been described as an example.
  • a plurality of optical fibers may be provided.
  • Table 1 shows an example of the process calculation when enriching the oxygen isotope 17 O.
  • the process calculation example shown in Table 1 is for the oxygen isotope enrichment process in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-272090) described above.
  • Table 1 high purity oxygen as a raw material (16 O, 17 O, and 18 O is the natural abundance levels) twice when performing 2-step enrichment for performing a photochemical reaction by irradiation of laser light, The first stage, the second stage, and the overall result are shown.
  • the starting oxygen, the ozonizer, the ozone - converted to oxygen-based gas, after being introduced into the distillation column was introduced CF 4, from the bottom of the distillation column, it is derived as an ozone -CF 4 based gas, ozone —CF 4 -based gas was used as the process gas of the present invention.
  • CF 4 ozone -CF 4 based gas
  • ozone —CF 4 -based gas was used as the process gas of the present invention.
  • 17 O is concentrated, 17 O oxygen in as the final product were concentrated more than 10 atom%.
  • the target absorption wavelength of ozone isotopologue 16 O 16 O 17 O containing 17 O is about 1000 nm, and the optical fiber as the laser light waveguide member 25 is in a wavelength region that can be used with low loss. This is important in that the optical fiber to be used can be easily obtained and the photochemical reaction can be performed with the loss of the laser light as small as possible.
  • ozone (O 3 ) and CF 4 as process gases are used. Also when the oxygen isotope 17 O in the ozone molecule is concentrated using a mixed gas in which is mixed, the results shown in Table 1 are obtained.
  • the present invention is applicable to a photochemical reaction apparatus using a laser beam and an isotope enrichment method using a photochemical reaction apparatus.
  • the present invention provides a photochemical reaction apparatus and an isotope enrichment method capable of increasing the utilization efficiency of laser light in a photochemical reaction.
  • Photochemical reaction device 11 Cryostat 12 Cryogenic liquid 13 Lid 13A, 15A, 62 Through portion 15 Annular member 16, 61 Metal container 16a, 46a, 61a Inner surface 17 Flange 19 Metal mirror 21 Light transmission Sex reaction container 23 First vacuum heat insulating space 24 Heater wire 25 Laser light guide member 25a Laser irradiation surface 25A, 41A Tip 26 Reliquefaction device 27 Pipe line 31 First container 31A Space 32 Second container 33 Second container 33 Vacuum insulation space 35 Tubular portion 36 Reaction chamber 36a Outer wall 41 Gas supply pipe 46 Quartz glass container (outer container: first quartz glass container) 46b exterior 57 Quartz glass container (inner container: second quartz glass container)

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Abstract

　内部に供給されたプロセスガスを、レーザ光により光化学反応させる光透過性反応用容器（２１）と、光透過性反応用容器（２１）の外側に、光透過性反応用容器（２１）を囲むように配置され、レーザ光を反射する金属ミラー（１９）と、光透過性反応用容器（２１）、金属ミラー（１９）、及び極低温液体（１２）を収容する構成であって、極低温液体（１２）により、金属ミラー（１９）の温度を極低温に保持するクライオスタット（１１）と、を有する。

Description

光化学反応装置及び光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法
　本発明は、レーザ光を用いた光化学反応装置、及び光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法に関する。
　本願は、２０１１年２月２３日に、日本に出願された特願２０１１－０３７０４５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　レーザ光を用いる光化学反応装置は、大別して２種類ある。1つは光化学反応セルと呼ばれる光化学反応容器にレーザ光を1度だけ通過させるｏｎｅ－ｐａｓｓ方式であり、もう１つはレーザ光を複数回反射させる多重反射(ｍｕｌｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ)方式である。
　多重反射方式は、設置する反射ミラーの位置決めなど、光学的に複雑でありかつ精密さを必要とする方式であるが、レーザ光を光化学反応に効率よく利用できる。ガス分析用の市販の多重反射セル(例えば、Ｗｈｉｔｅ　ｃｅｌｌ；Ｗｈｉｔｅは人名)としては、光路長が２００～３００ｍのものがあり、このセルでは２００～３００回光を反射させている。
　多重反射方式を使用する場合の光吸収は、下記（１）式に示すようにＬａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒの法則で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　上記（１）式において、Ｉ０は初期光量［Ｗ］、Ｉ（z）は光路長ｚ［ｃｍ］における光量［Ｗ］、σは光吸収断面積［ｃｍ２／ｍｏｌｅｃｕｌｅ］、Ｎは分子密度［ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３］を示している。上記（１）式では、光路長ｚが大きいほど光吸収が大きくなる。
　また、光利用率ηは、下記（２）式で表され（但し、σＮｚ≪１の場合）、光路長zに比例して大きい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　特許文献１，２には、酸素同位体である１７Ｏや１８Ｏを含むオゾン分子にレーザ光を照射し、これらオゾン分子を選択的に分解して１７Ｏや１８Ｏを濃縮する方法が開示されている。
　このような方法を使用する場合、オゾンのｗｕｌｆ　ｂａｎｄ（近赤外領域７００～１２００ｎｍ）における比較的吸収が大きい波長での光吸収断面積σは、１０－２３ｃｍ２／ｍｏｌｅｃｕｌeという小さな値（水の光吸収断面積より約４桁小さい）であり、よって光化学反応セルの光路長としては１０００ｍ以上が望まれる。
　したがって、上記のような光吸収断面積が小さい光化学反応を行う場合、光化学反応セルは多重反射方式のセルを用いる事が有利である。
特許第４３６４５２９号公報 特開２００６－２７２０９０号公報 特開平７－２６５６６９号公報 特開平７－１５０２７０号公報 特開平３－３２９８８５号公報
　ところで、多重反射方式の光化学反応セルについて考えると、ミラーの反射率が０．９０程度のものでは、反射を１０回（５往復）させると、最終光強度は０．９０１０＝０．３５であり、ミラーにおける光損失は６５％となる。このことから、前述のような反射率のセルを用いた場合では、光の利用効率をあまり大きくできないという問題がある。
　例えば、室温（例えば、２０℃）において、波長１０００ｎｍにおける金ミラーの反射率は、０．９８である。よって、室温では大きな反射回数をとれない（反射回数５０回での最終光強度は、０．９８５０＝０．３６）。
　反射回数が１０００回以上の場合でも光損失が小さいようにするためには、反射率は０．９９９以上であることを必要とする（この場合の最終光強度は、０．９９９１０００＝０．３７）。例えば、反射率が０．９９９９で反射回数を１００００回とした場合、最終光強度は０．９９９９１００００＝０．３７となり、１回反射するまでの平均光路長を１ｍとすると、全光路長は１００００ｍ以上となる。
　誘電体多層膜は、０．９９９９以上の高い反射率を有するが、入射角が大きいと反射率が低下する問題がある。そのため、多重反射方式の光化学反応装置に誘電体多層膜を適用するためには、レーザの入射方法や光軸調整など難しい課題を有する。
　例えば、キャビティーリングダウン分光分析に使用される誘電体多層膜は、０．９９９９以上の高い反射率を有する。しかし、初めに誘電体多層膜に光を透過させて入射させる方式をとる場合、透過率は数％以下であるため、透過損失が大きい。よって誘電体多層膜は、分光分析には使用できるが、光化学反応には向いていない。
　このように、従来技術では高い反射率をもつミラーの種類が限られており、全光路長を長くする方法、すなわち光化学反応におけるレーザ光の利用効率を高める方法が限られていた。
　そこで、本発明は、光化学反応におけるレーザ光の利用効率を高めることが可能な光化学反応装置、及び光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法を提供することを目的とする。
　本発明の第一の態様は、以下の光化学反応装置を提供する。
（１）内部に供給されたプロセスガスを、レーザ光により光化学反応させる光透過性反応用容器と、前記光透過性反応用容器の外側に、前記光透過性反応用容器を囲むように配置され、前記レーザ光を反射する金属ミラーと、前記光透過性反応用容器、前記金属ミラー、及び極低温液体を収容する構成であって、前記極低温液体により、前記金属ミラーの温度を極低温に保持するクライオスタットと、を有する光化学反応装置である。
　また（１）の光化学反応装置は、以下に示される特徴を有する事も好ましい。
　（２）　上記（１）の光化学反応装置は、前記金属ミラーの温度が、１００Ｋ以下である。
　（３）　上記（１）から（２）に示される光化学反応装置は、前記光透過性反応用容器と前記金属ミラーとの間に、真空断熱空間を有する。
　（４）　上記（１）から（３）に示される光化学反応装置は、前記金属ミラーを構成する金属が、金、銀、銅、アルミニウムのうちのいずれか１つである。
　（５）　上記（４）の光化学反応装置は、前記金属の純度が、９９．９９９９以上である。
　（６）　上記（１）から（５）に示される光化学反応装置は、前記金属ミラーが、金属膜である。
　（７）　上記（１）から（６）に示される光化学反応装置は、前記光透過性反応用容器が、石英ガラスまたはアクリル樹脂よりなる。
　　（８）　上記（１）から（７）に示される光化学反応装置は、前記プロセスガスに、前記レーザ光を照射するレーザ光導波部材を有する。
　　（９）　上記（１）から（８）に示される光化学反応装置は、前記金属ミラーを構成する金属と同じ種類であって、かつ前記金属ミラーを構成する金属よりも純度の低い金属よりなり、前記クライオスタットに収容されると共に、前記光透過性反応用容器を収容する金属容器を有し、かつ、
前記金属ミラーが、前記金属容器の内面を覆うように配置される。
　（１０）上記（１）から（８）に示される光化学反応装置は、前記クライオスタットに収容され、かつ前記光透過性反応用容器を収容すると共に、前記レーザ光を透過する、石英ガラス容器を有し、
前記金属ミラーは、前記石英ガラス容器の内面、または前記石英ガラス容器の外面を覆うように配置される。
　（１１）　上記（１０）の光化学反応装置は、前記石英ガラス容器が純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラスよりなる。
　（１２）　上記（８）と（９）に示される光化学反応装置は、前記レーザ光導波部材を、前記光透過性反応用容器内に配置する。
　（１３）　上記（８）から（１１）に示される光化学反応装置は、前記レーザ光導波部材を、前記真空断熱空間に配置する。
　（１４）　上記（８）から（１３）に示される光化学反応装置は、前記レーザ光導波部材が、光ファイバである。
　（１５）　上記（１）から（１４）に示される光化学反応装置は、前記光透過性反応用容器の外壁に、ヒータ線が巻きつけられている。
　（１６）　上記（９）の光化学反応装置は、前記光透過性反応用容器と前記金属ミラーとの間に、前記レーザ光を透過させ、かつ前記光透過性反応用容器を囲む石英ガラス容器を設け、前記光透過性反応用容器と前記石英ガラス容器との間に、真空断熱空間が配置される。
　（１７）　上記（１６）の光化学反応装置は、前記レーザ光導波部材を、前記石英ガラス容器の外側に配置する。
　（１８）　上記（１６）と（１７）に示される光化学反応装置は、前記石英ガラス容器が、純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラスよりなる。
　（１９）　上記（１）から（１８）に示される光化学反応装置は、前記光透過性反応用容器が純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラスよりなる。
　（２０）　上記（１）から（１９）に示される光化学反応装置は、前記クライオスタットが、前記極低温液体を収容する第１の容器と、前記第１の容器を収容する第２の容器と、前記第１の容器と第２の容器との間に設けられた真空断熱空間と、を有する。
　（２１）　上記（２０）の光化学反応装置は、前記第１の容器と接続され、前記極低温液体から形成された気体を再液化させる、再液化装置を有する。
　（２２）　上記（１）から（２１）に示される光化学反応装置は、前記極低温液体が、液体ヘリウムである。
　本発明の第二の態様は、以下の同位体濃縮方法を提供する。
（２３）　（１）から（２２）のうち、いずれかの光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法であって、前記プロセスガスとしてＯ３とＣＦ４との混合ガスを、前記光透過性反応用容器内に供給する工程と、その後、前記混合ガスに前記レーザ光を照射して光化学反応させることで、酸素同位体１７Ｏまたは１８Ｏを含む前記Ｏ３を選択的に光分解させる工程と、を有することを特徴とする光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法。
　また（２３）の同位体濃縮方法は、以下に示される特徴を有する事も好ましい。
　（２４）　上記（２３）の同位体濃縮方法は、前記光分解させる際の前記レーザ光の波長領域が、５００ｎｍ以上である。
　（２５）　上記（２３）の同位体濃縮方法は、前記光分解させる際の前記レーザ光の波長領域が、７００～１５００ｎｍである。
　本発明の光化学反応装置、及び光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法によれば、極低温液体を用いて金属ミラーが極低温となるように冷却することで、金属ミラーのレーザ光の反射率を高めることが可能となる。これにより、光化学反応におけるレーザ光の利用効率を高めることができる。
室温（例えば、２０℃）における金、銀、銅の反射率と波長との関係を示す図である。 極低温における銅とアルミニウムとの比抵抗を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態の変形例に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。
　赤外及び近赤外(波長約８００ｎｍ以上)における金属の反射率は、下記（３）式に示すＨａｇｅｎ－Ｒｕｂｅｎｓの式で求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 上記（３）式において、Ｒは反射率、ε0は真空の誘電率［Ｆ／ｍ］、ｃは光速度［ｍ／ｓ］、λは光の波長［ｍ］、ρは電気比抵抗[Ωｍ]である。
　ところで、波長λが一定のレーザ光については、上記（３）式は、下記（４）式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　ここで、上記（４）式において、右辺第２項は渦電流損（ｅｄｄｙ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｌｏｓｓ）に該当し、比抵抗が小さいほど反射率は大きくなる。光は電磁波であり、金属表面で光の磁場変化を打ち消すように渦電流が発生し、電気抵抗（＝比抵抗×長さ／断面積）によりエネルギー損失が起きる。完全伝導体（超伝導体ではなく仮想的な物質）では、渦電流損はゼロの場合、全反射する（Ｒ＝１）。
　例えば、純度の高い銅は、室温（例えば、２０℃）で比抵抗ρ≒１０－８Ωｍであり、波長λを１０００ｎｍとすると、上記（３）式の右辺第２項は、０．０３６４となる。ゆえに、反射率Ｒは、下記（５）式に示す値となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図１は、室温（例えば、２０℃）における金、銀、銅の反射率と波長との関係を示す図である。なお、図１は、理科年表（国立天文台編纂のデータブック）に記載のデータを引用したものである。
　図１を参照するに、波長が８００ｎｍ以上の領域において、反射率は銀＞銅＞金の順となっており、比抵抗は銀＜銅＜金の順であるので、上記（４）式が成立している。
　比抵抗ρは、下記（６）式で表され、Ｍａｔｔｈｉｅｓｓｅｎの法則（Ｍａｔｔｈｉｅｓｓｅｎ’ｓ　ｒｕｌｅ）に従い、温度Ｔ［Ｋ］が下がるにつれて小さくなる。また、極低温液体である液体ヘリウムの温度（４．２Ｋ）では、比抵抗ρは、残留抵抗ρｒ［Ωｍ］と呼ばれる一定値になる。ρrは金属中の不純物、格子欠陥などに起因した値をとり、高純度であるほど極低温で小さい値となる。
なお、ここでいう極低温液体とは、液体窒素、液体酸素、液体アルゴン、液体水素、液体ヘリウムなど、標準沸点が１００K以下の液化ガスを意味する。また、そのような液体を使用する温度領域を極低温と呼ぶ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　上記式（６）において、ρｐｈ（Ｔ）は、ｐｈｏｎｏｎ散乱による項であり温度依存性がある。
　図２は、極低温における銅とアルミニウムの比抵抗をそれぞれ示す図である。なお、図２は、超伝導・低温工学ハンドブック（社団法人低温工学協会、（株）オーム社出版）から引用した（原出典はＨａｎｄｂｏｏｋ　ｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎａｒｙ　１９７７）の１０８４ページ参照。
　図２に示すＲＲＲ（Ｒｅｓｉｄｕａｌ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　Ｒａｔｉｏ）は、下記（７）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　図２に示すように、ＲＲＲ＝３００００が報告されており、この値を上記（４）式及び上記（５）式に代入すると、上記（３）式の右辺第２項は、０．０３６４√（１/３００００）＝０．０００２１となる。したがって、反射率Ｒは、下記（８）式に示すように、０．９９９７９となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　このように、室温（例えば、２０℃）で反射率Ｒが０．９６の銅よりなる金属ミラーの温度が極低温となるように冷却することで、反射率Ｒを０．９９９７９（０．９９９９に近い値）まで高めることができる。また、この反射率Ｒは、光の入射角に依存しない優れた特徴がある。
　さらに、金、銀、アルミニウムのうち、いずれかの材料よりなる金属ミラーについても、上記銅よりなる金属ミラーと同様に、室温（例えば、２０℃）で反射率Ｒが０．９～０．９９の金属ミラーを極低温にすることにより、反射率Ｒを０．９９～０．９９９、或いはそれ以上に高めることが可能となる。よって、極低温とされた金属ミラーを光化学反応に用いることで、光化学反応における光の利用効率を高めることができる。
　また、上記金属ミラーの材料となる金属は、問題のない限り任意で選択してよいが、銅、金、銀、及びアルミニウムのうち、いずれか１つを用いることが好ましい。
　また、金属ミラーの材料となる金属としては、純度が９９．９９９９％以上とされた銅、金、銀、及びアルミニウム等が好ましい。
　ここでは、液体ヘリウム（温度４．２Ｋ）を用いて、高純度の銅よりなる金属ミラーを冷却し高反射率を達成する場合を例に挙げて説明した。しかし、反射率Ｒが０．９９９程度で良い場合には、金属ミラーの温度が４０Ｋ程度となるように冷却すればよい。
　また、金属ミラーの温度が１００Ｋ程度となるように冷却した場合でも、反射率Ｒは０．９９に近い値となり、反射回数を１００回程度確保することが可能となる。よって、１００Ｋ程度に冷却された金属ミラーを光化学反応に用いることでも、光化学反応における光の利用効率を高めることができる。
　さらに、金属ミラーを極低温にする一方、光化学反応を行う光化学反応セルの温度は、光化学反応に適した温度にする必要がある。
すなわち、光化学反応はガス状態で行うが、液体ヘリウムの温度では、ほとんどのガスが固化してしまう問題があるためである。また、光化学反応セルの材質は、レーザ光を損失無く透過するものでなければならない。
　上記問題を解決する手段として、光化学反応セル（後述する図３～図７に示す光透過性反応用容器２１）の材質としては、光ファイバで使用される、純度が９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の、高純度の合成石英ガラス、或いはアクリル樹脂等を使用することができる。
　光化学反応を行なう際は、高純度の石英ガラスで製作された容器（後述する図３～図７に示す光透過性反応用容器２１）内に、光化学反応を行うために必要なプロセスガスを封入し又は任意で循環させ、一方で、金属ミラーと前記石英ガラスからなる光透過性反応用容器の間には第１の真空断熱空間を設けるとよい。また、第１の真空断熱空間に、熱伝導性の悪い希薄なガス等を充填してもよい。
　特に、光ファイバに使用される石英ガラスの光損失は、１ｋｍあたり数ｄＢと極めて小さく、反射ミラーの多重反射による光損失よりも非常に小さいため、問題とならない大きさである。また、光透過性反応用容器２１の表面（外面および内面の両方）においてレーザ光が数％反射（残りは光透過性反応用容器２１を透過）するが、この反射光は続いて金属ミラー或いは光透過性反応用容器２１で反射されるなど、いずれは光透過性反応用容器２２内のプロセスガスに照射されるので、レーザ光は無駄なく利用される。
　以下に本発明の好ましい例を具体的に説明するが、本発明はこれらの例のみに限定されることは無い。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、その他の変更が可能である。
　（第１の実施の形態）
　図３は、本発明の第１の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。
　図３の光化学反応装置１０は、クライオスタット１１と、蓋体１３と、環状部材１５と、金属容器１６と、フランジ１７と、金属ミラー１９と、光透過性反応用容器２１と、第１の真空断熱空間２３と、ヒータ線２４と、レーザ光導波部材２５と、再液化装置２６と、管路２７と、を有する。
　クライオスタット１１は、第１の容器３１と、第２の容器３２と、第２の真空断熱空間３３と、を有する。第１の容器３１は、極低温液体１２を収容する容器である。
　第２の容器３２は、第１の容器３１に対して離間した状態で、第１の容器３１の外壁を囲むように配置されている。第２の容器３２は、第１の容器３１を収容している。第２の容器３２は、第１の容器３１と一体に構成されている。第１の容器３１と第２の容器３２の形は任意に選択でき、円柱や四角柱などを例として挙げる事ができる。
　第２の真空断熱空間３３は、第１の容器３１と第２の容器３２との間に設けられた気密された空間である。第２の真空断熱空間３３は、真空とされている。
このように、第１の容器３１と第２の容器３２との間に、真空とされた第２の真空断熱空間３３を設けることにより、第１の容器３１に収容された極低温液体１２の温度が上昇することを抑制できる。
上記構成とされたクライオスタット１１は、極低温液体１２により、金属ミラー１９の温度を極低温（１００Ｋ以下）に冷却保持する。
　本発明において“金属ミラーの温度を極低温に保持する”とは“金属ミラーが極低温液体によって、直接、又は金属ミラーが設けられた容器を介して間接的に、冷却された状態を維持する”ことを意味する。
よって金属ミラーは一般的な意味の極低温まで冷却されても良いが、効果が得られる限り、一般的な極低温まで冷却されていなくても良く、任意の温度を選択できる。また効果が得られる限り、金属ミラーの温度は全体に均一であっても、あるいは部分的に異なっていても良い。金属ミラーの好ましい冷却温度の例を挙げれば、上述したように一般的には１００Ｋ以下、より好ましくは４０K以下であり、液体ヘリウム温度（４．２K）である事が更に好ましい。
　また極低温液体１２の量と種類は任意で選択でき、極低温液体１２の容器３１への供給方法や供給するタイミングも問題のない限り任意に選択できる。
　以上のように、冷却された金属ミラー１９の温度は、目的に応じて選択でき、例えば１００Ｋ以下の範囲内で適宜選択することができる。また、極低温液体１２としては、例えば、液体ヘリウム（温度４．２Ｋ）を好ましく用いることができる。
　蓋体１３は、クライオスタット１１の上端に設けられている。これにより、第１の容器３１内の空間３１Ａ（極低温液体１２、及び金属容器１６が収容される空間）は、気密されている。蓋体１３は、環状部材１５を貫通させるための貫通部１３Ａを有する。
　環状部材１５は、蓋体１３を貫通するように、貫通部１３Ａに固定されている。環状部材１５の上端は、光透過性反応用容器２１を構成する後述する管状部３５を貫通させるための貫通部１５Ａを有する。環状部材１５の下端は、開放端とされている。環状部材１５の材料としては、例えば、ステンレスを用いることができる。
　金属容器１６は、その一部が極低温液体１２に浸漬するように、第１の容器３１内（空間３１Ａ）に収容されている。金属容器１６の上端は、環状部材１５の下端に対して、フランジ１７により固定されている。フランジ１７による固定方法としては、溶接フランジ、またはねじ込みフランジなどを用いることができる。フランジ１７は、金属容器１６と環状部材１５との接合部に設けられている。
　金属容器１６は、金属容器１６と光透過性反応用容器２１との間に隙間を介在させた状態で、光透過性反応用容器２１を収容している。
　金属容器１６は、金属ミラー１９を構成する金属と同じ種類であって、かつ金属ミラー１９を構成する金属よりも純度の低い金属により構成されている。金属容器１６の材料となる金属としては任意に選択でき、例えば、金、銀、銅、アルミニウムのうち、いずれか１つの金属を用いることができる。金属容器１６の材料となる金属として、金、銀、銅、アルミニウム等を用いた場合、前記金属の純度は、９９．９９９９％以上の範囲内とすることができる。
　金属ミラー１９は、金属容器１６の内面１６ａを覆うように設けられている。金属ミラー１９は、光透過性反応用容器２１の外側に、空間を隔てて、光透過性反応用容器２１を囲むように配置されている。金属ミラー１９は、レーザ光導波部材２５から照射されたレーザ光を反射することで、反射したレーザ光を光透過性反応用容器２１内に封入された又は流通されるプロセスガスに照射する。
　金属ミラー１９の材料となる金属としては任意で選択できるが、高純度の金、銀、銅、及びアルミニウム等を用いることが好ましい。
　金属ミラー１９を構成する金属として、金、銀、銅、アルミニウム等を用いる場合、金属ミラー１９を構成する金属の純度は、例えば、９９．９９９９以上とすることができる。
　例えば、液体ヘリウム（温度４．２Ｋ）により、純度が９９．９９９９以上とされた銅よりなる金属ミラー１９を冷却した場合、金属ミラー１９の表面の反射率Ｒを０．９９９９以上にすることができる。
　前記反射率Ｒは、レーザ光の入射角に依存しない優れた特徴があるため、金属容器１６内面の形状を自由に選択することができる。金属容器１６内面の形状は、光路長を大きくする観点から球形が有利であるが、円筒形や角型(直方体等)などの他の形状でもよい。
　また、レーザ光導波部材２５から照射されたレーザ光の広がり角や光軸を気にする必要が無い。照射されたレーザ光の大半は、反射回数により減衰するため、極限まで多重反射させることで、光化学反応に利用できる。
　金属ミラー１９としては、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)）法、めっき法、コーティング法、及び蒸着法等の方法により形成された金属膜（具体的には、金膜、銀膜、銅膜、アルミニウム膜等）を用いることができる。
　金属ミラー１９として金属膜を非金属表面にコーティングする場合、前記金属膜の厚さは任意に選択でき、例えば、０．０２～１０μｍとすることができる。また、金属ミラー１９として金属膜を金属表面にコーティングする場合、前記金属膜の厚さは任意に選択でき、例えば、２０ｎｍ～１ｍｍ（或いは１ｍｍ以上）とすることができる。
　光透過性反応用容器２１は、管状部３５と、反応室３６と、を有する。管状部３５は、貫通部１５Ａに固定されており、金属容器１６の内部に延在している。管状部３５の内径は、反応室３６の内径よりも狭くなるように構成されている。管状部３５では、一方の端部は、プロセスガスを供給するプロセスガス供給装置（図示せず）、処理ガス回収装置（図示せず）、及び／又は、これらと連絡する、開閉バルブ等を有しても良い連絡部（図示せず）等と接続されており、他方の端部が反応室３６と接続されている。
　反応室３６は、金属ミラー１９に対して隙間を介在させた状態で、金属容器１６内に収容されている。反応室３６は、管状部３５と一体に構成されている。反応室３６では、管状部３５を介してプロセスガスが供給された際、レーザ光によりプロセスガスを光化学反応させる。光透過性反応用容器２１の材料としては任意に選択できるが、純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラス、或いは、アクリル樹脂を用いる事が好ましい。
　第１の真空断熱空間２３は、光透過性反応用容器２１と金属ミラー１９との間に設けられている。第１の真空断熱空間２３は、真空とされた空間である。
　このように、光透過性反応用容器２１と金属ミラー１９との間に、第１の真空断熱空間２３を設けることで、極低温液体１２により光透過性反応用容器２１が冷却されにくくすることが可能となる。これにより、光透過性反応用容器２１内に供給されたプロセスガスが固化することを抑制できる。
　ヒータ線２４は、反応室３６の外壁３６ａに巻きつけられている。このように、反応室３６の外壁３６ａにヒータ線２４を巻きつけることで、反応室３６を加熱することが可能となるので、反応室３６内の温度を光化学反応に適した温度に調整することができる。
　レーザ光導波部材２５は、管状部３５の内部、及び反応室３６の上部に配置されている。レーザ光導波部材２５は、その先端２５Ａにレーザ光を照射するレーザ照射面２５ａを有する。
　ここで、レーザ光導波部材２５とは、レンズ・ミラー等により構成された、光学システム機器であって、レーザ光を光透過性反応用容器２１に導入するための部材である。また、このレーザ光導波部材２５は任意に選択可能であるが、光ファイバが好適である。
　なお、図１では、一例として、レーザ照射面２５ａからレーザ光が広がった状態で照射される場合を図示したが、レーザ光導波部材２５の先端２５Ａにレンズ（図示せず）を配置することで、レーザ光を平行光にしてもよい。
　再液化装置２６は、クライオスタット１１の外部に設けられている。再液化装置２６は、クライオスタット１１の側壁を貫通し、かつ第１の容器３１内の空間３１Ａと接続された管路２７と、接続されている。再液化装置２６は、蒸発した極低温液体１２をパルスチューブ式冷凍機あるいはギフォード・マクマホン式冷凍機などで冷却して再液化して極低温液体１２へ戻す装置である。再液化装置２６や管路２７には、開閉部（図示せず）が設けられていても良い。
　このように、第１の容器３１内に収容された極低温液体１２が蒸発したものを再液化させる再液化装置２６を設けることにより、連続して極低温液体１２を冷却することが可能となるので、金属ミラー１９の温度を安定して極低温に保つことができる。
　第１の実施の形態の光化学反応装置によれば、内部に供給されたプロセスガスを、レーザ光により光化学反応させる光透過性反応用容器２１と、光透過性反応用容器２１の外側に、光透過性反応用容器２１を囲むように配置され、かつレーザ光を反射する金属ミラー１９と、金属容器１６と、
光透過性反応用容器２１、金属ミラー１９、及び極低温液体１２を収容可能な構成であり、極低温液体１２により、金属ミラー１９の温度を極低温（１００Ｋ以下の温度）に保持するクライオスタット１１と、を有することにより、金属ミラー１９のレーザ光の反射率を高めることが可能となる。これにより、光化学反応におけるレーザ光の利用効率を高めることができる。
　また、極低温液体１２として液体ヘリウム（温度４．２Ｋ）を用い、液体ヘリウムの温度に近い温度まで金属ミラー１９を冷却することにより、０．９９９９以上の高い反射率Ｒを実現可能となるので、光化学反応におけるレーザ光の利用効率を極限まで高めることができる。
　ここで、図１を参照して、上記構成とされた光化学反応装置１０を用いた同位体濃縮方法の例について説明する。なお以下の方法ではＣＦ４とオゾン（Ｏ３）との混合ガスをプロセスガスとして使用したが、本発明が他のプロセスガスを使用する場合にも適用できるのは言うまでもない。
　始めに、プロセスガスとしてＣＦ４とオゾン（Ｏ３）との混合ガスを光透過性反応用容器２１の反応室３６に供給する。次いで、レーザ光導波部材２５により、反応室３６内に供給された混合ガスにレーザ光を照射して、光化学反応により、オゾン中に含まれる、酸素同位体である１７Ｏまたは１８Ｏを含むオゾンのアイソトポローグ（ｉｓｏｔｏｐｏｌｏｇｕｅ）を、選択的に酸素に光分解させる。すなわち、分子中に目的の酸素同位体を含むオゾンを、選択的に酸素に分解する。
　このとき、先に説明したように、極低温（１００Ｋ以下）に冷却された金属ミラー１９を用いてレーザ光を反射することで、レーザ光の反射率が高められるので、光化学反応におけるレーザ光の利用効率を高めることができる。
　光化学反応を行なう際に光ファイバを用いてレーザ光を導入する場合、レーザ光の波長領域は任意に選択できるが、光ファイバの光損失が小さい５００～１５００ｎｍを用いることが最適である。
　また、光ファイバを使用しない場合は、例えば、反射鏡やレンズを用いてレーザ光を導入できるが、この場合、レーザ光の波長領域は、金属ミラー１９の反射率が高い８００ｎｍ以上を用いることが好ましい。
　また、オゾンとＣＦ４との混合ガスをプロセスガスとして光化学反応を行なう際のレーザ光の波長領域は、Ｗｕｌｆ　Ｂａｎｄと呼ばれる７００～１２００ｎｍが好ましい。このように、レーザ光の波長領域を７００～１２００ｎｍとすることで、酸素同位体１７Ｏまたは１８Ｏを含むオゾンを選択的に分解できるという効果を得ることができる。
　その後、混合ガス中の酸素を、未分解のオゾン及びＣＦ４から分離させる。このように、分離させた酸素中に酸素同位体である１７Ｏまたは１８Ｏを濃縮させることができる。
　第１の実施の形態の光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法によれば、極低温（１００Ｋ以下）に冷却された金属ミラー１９によりレーザ光を反射する光化学反応装置１０を用いて、オゾン（Ｏ３）とＣＦ４とを混合した混合ガスをプロセスガスとして光透過性反応用容器２１の反応室３６に供給し、その後、前記混合ガスにレーザ光を照射して、酸素同位体１７Ｏまたは１８Ｏを含むオゾンを選択的に光分解させることで、光化学反応におけるレーザ光の利用効率を高めた上で、酸素同位体１７Ｏまたは１８Ｏを濃縮させることができる。
　（第２の実施の形態）
　図４は、本発明の第２の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。図４において、図３に示す第１の実施の形態の光化学反応装置１０と同一構成部分には同一符号を付す。
　図４に示される、第２の実施の形態の光化学反応装置４０は、第１の実施の形態の光化学反応装置１０の構成に、ガス供給管４１を設けると共に、レーザ光導波部材２５を第１の真空断熱空間２３（光透過性反応用容器２１と金属ミラー１９との間）に配置し、さらに光化学反応装置１０に設けられたヒータ線２４を構成要素から除いた以外は、光化学反応装置１０と同様に構成される。
　ガス供給管４１は、光透過性反応用容器２１内に配置されている。ガス供給管４１は、プロセスガスを供給するプロセスガス供給源（図示せず）と接続されている。ガス供給管４１の先端４１Ａ（反応室３６内にプロセスガスを供給する部分）は、反応室３６の底部に近い場所に配置されている。
　第２の実施の形態の光化学反応装置４０では、ガス供給管４１と管状部３５との隙間からガスを排出する。これにより、第２の実施の形態では、プロセスガスを連続的に流通させることが可能であり、光化学反応の連続処理を行なうことができる。なお連続処理に限らず、一回毎に中身を入れ替える処理を行っても良い。また、プロセスガスの導入時の温度を設定することにより、反応室３６の温度を制御できる。
　第２の実施の形態の光化学反応装置によれば、光透過性反応用容器２１と金属ミラー１９との間に設けられた第１の真空断熱空間２３にレーザ光導波部材２５を配置することで、プロセスガスがレーザ光導波部材２５と接触することがなくなるため、レーザ光導波部材２５に起因するプロセスガスの汚染を防止できる。
　また、第２の実施の形態の光化学反応装置４０は、第１の実施の形態の光化学反応装置１０と同様な効果を得ることができる。具体的には、金属ミラー１９のレーザ光の反射率を高めることが可能となるので、光化学反応におけるレーザ光の利用効率を高めることができる。
　また、第２の実施の形態の光化学反応装置４０を用いた同位体濃縮方法は、第１の実施の形態で説明した光化学反応装置１０を用いた同位体濃縮方法と同様な手法により行なうことができ、また、光化学反応装置１０を用いた同位体濃縮方法と同様な効果を得ることができる。
　なお、第２の実施の形態の光化学反応装置４０において、図１に示すヒータ線２４を設けてもよい。
　（第３の実施の形態）
　図５は、本発明の第３の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。図５において、図４に示す第２の実施の形態の光化学反応装置４０と同一構成部分には同一符号を付す。
　図５に示される、第３の実施の形態の光化学反応装置４５は、第２の実施の形態の光化学反応装置４０に設けられた金属容器１６に替えて、石英ガラス容器４６を設けた以外は、光化学反応装置４０と同様に構成される。
　石英ガラス容器４６は、クライオスタット１１に収容されると共に、光透過性反応用容器２１を収容している。石英ガラス容器４６は、レーザ光を透過し、かつ純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラスよりなる。石英ガラス容器４６を構成する石英ガラスは、金属容器１６を構成する金属（例えば、金、銀、銅、アルミニウム等）と比較して熱容量を小さくすることができる。
　金属ミラー１９は、石英ガラス容器４６の内面４６ａを覆うように設けられている。本実施の形態の場合、金属ミラー１９としては、コーティング法または蒸着法により形成された金属膜（例えば、純度が９９．９９９９％以上とされた金膜、銀膜、銅膜、アルミニウム膜等）を用いることができる。前記金属膜の厚さは、例えば、０．０２～１０μｍとすることができる。
　第３の実施の形態の光化学反応装置によれば、金属容器１６に替えて、光透過性反応用容器２１を収容する石英ガラス容器４６を設けることにより、石英ガラスは金属と比較して熱容量が小さいため、極低温液体１２により金属ミラー１９を効率よく冷却することができる。
　また、石英ガラス容器４６の内面４６ａに金属ミラー１９を設けることにより、石英ガラス容器４６と金属ミラー１９との熱膨張係数の違いによる引張応力を小さくすることが可能となるので、金属ミラー１９の反射率Ｒの低下を抑制できる。
　なお、第３の実施の形態の光化学反応装置４５を用いる同位体濃縮方法は、第１の実施の形態で説明した光化学反応装置１０を用いた同位体濃縮方法と同様な手法により行なうことができる。
　また、第３の実施の形態の光化学反応装置４５において、図１に示すヒータ線２４を設けてもよい。
　図６は、本発明の第３の実施の形態の変形例である、光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。図６において、図５に示す第３の実施の形態の光化学反応装置４５と同一構成部分には同一符号を付す。
　図６に示される、第３の実施の形態の変形例である光化学反応装置５０は、第３の実施の形態の光化学反応装置４５に設けられた金属ミラー１９を、内面ではなく、石英ガラス容器４６（外部容器：第１の石英ガラス容器）の外面４６ｂを覆うように設けた以外は、光化学反応装置４５と同様に構成される。
　このような構成とされた第３の実施の形態の変形例である光化学反応装置５０は、光透過性反応用容器２１を収容する石英ガラス容器４６を有することにより、極低温液体１２により金属ミラー１９を効率よく冷却することができる。
　なお、第３の実施の形態の変形例に係る光化学反応装置５０を用いた同位体濃縮方法は、第１の実施の形態で説明した光化学反応装置１０を用いた同位体濃縮方法と同様な手法により行なうことができる。
　また、第３の実施の形態の変形例に係る光化学反応装置５０において、図１に示すヒータ線２４を設けてもよい。
　（第４の実施の形態）
　図７は、本発明の第４の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。図７において、図４に示す第２の実施の形態の光化学反応装置４０と同一構成部分には同一符号を付す。
　図７に示される、第４の実施の形態の光化学反応装置５５は、第２の実施の形態の光化学反応装置４０の構成に石英ガラス容器５７を設け、レーザ光導波部材２５の一部を金属容器６１の側面の穴から出すことで空間３１Ａ内に配置しかつ蓋体１３に設けた貫通穴から外部に通じさせ、光化学反応装置４０に設けられた金属容器１６に替えて前記容器と異なる金属容器６１を設け、さらに、光化学反応装置４０に設けられた環状部材１５及びフランジ１７を構成要素から除いた以外は、光化学反応装置４０と同様に構成される。
　石英ガラス容器５７は、光透過性反応用容器２１と金属ミラー１９との間に設けられている。石英ガラス容器５７は、光透過性反応用容器２１を囲むように配置されている。石英ガラス容器５７は、レーザ光を透過させる。石英ガラス容器５７は、純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラスにより構成されている。
　第４の実施の形態の光化学反応装置５５では、光透過性反応用容器２１と石英ガラス容器５７との間に、第１の真空断熱空間２３が設けられている。
　なお光透過性反応用容器２１と石英ガラス容器５７との間に位置するかぎり、第１の真空断熱空間２３の範囲や形状や位置は、任意に選択できる。光透過性反応用容器２１と石英ガラス容器５７は任意の箇所で結合して第１の真空断熱空間２３を形成してもよい。
　また、石英ガラス容器５７と金属ミラー１９との間の空間は、真空とされていない。
　金属容器６１は、石英ガラス容器５７を囲むように第１の容器３１に任意の方法で固定されている（固定方法については図示せず）。金属容器６１には、石英ガラス容器５７と金属ミラー１９との間に設けられた空間に、レーザ光導波部材２５の先端２５Ａを、金属容器６１の外側から配置するための貫通部６２が設けられている。レーザ光導波部材２５は、石英ガラス容器５７の外側に配置されている。金属容器６１の材料としては、第２の実施の形態で説明した金属容器１６と同じ金属を用いることができる。
　第４の実施の形態の光化学反応装置によれば、光透過性反応用容器２１を囲む石英ガラス容器５７を設けると共に、光透過性反応用容器２１と石英ガラス容器５７との間に第１の真空断熱空間２３を配置することにより、金属容器６１内を真空にする必要がなくなる。言い換えれば、金属容器６１内を気密する必要がない。
　これにより、複数の分割された部材を組み立てることで、金属容器６１を構成することができる。
　なお、図７には、図示していないが、本発明では、レーザ光導波部材２５である光ファイバを一定の温度で使用するための断熱ジャケットを配置する空間を十分に確保することができる。
　また、光ファイバを用いることなく、直接レーザ照射装置（図示せず）からのレーザ光を光透過性反応用容器２１に照射することも可能である。この場合、金属容器６１及びクライオスタット１１に、レーザ光を照射するための窓（レーザ光を透過可能な窓）及びレーザ光を反射するミラー等を適宜設ける。
　また、第４の実施の形態の光化学反応装置５５において、図１に示すヒータ線２４を設けてもよい。
　以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。また第１～第４の実施の形態の間では、問題がない限り、互いに好ましい例を交換や追加をしても良い。
　例えば、第１～第４の実施の形態で説明した光化学反応装置１０，４０，４５，５０，及び５５では、レーザ光導波部材２５として１つの光ファイバを用いる場合を例に挙げて説明したが、複数本の光ファイバを設けてもよい。
　（実施例）
　第４の実施の形態の光化学反応装置５５（連続的に光化学反応を起こさせる装置）を用いると共に、プロセスガスとしてオゾン（Ｏ３）とＣＦ４とを混合した混合ガスを用いて、オゾン分子中の酸素同位体１７Ｏを濃縮する際の、プロセス計算例を表１に示す。
　なお、表１に記載のプロセス計算例は、先に説明した特許文献２（特開２００６－２７２０９０号公報）における酸素同位体濃縮プロセスについてのものである。
　表１には、高純度酸素を原料として（１６Ｏ、１７Ｏ、及び１８Ｏは天然存在比の濃度)、２度のレーザ光の照射により光化学反応を行う２段濃縮を行ったときの、１段目、２段目、及び総合結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　なお、原料酸素は、オゾナイザーにより、オゾン－酸素系ガスに変換し、ＣＦ４を導入した蒸留塔へ導入させた後、前記蒸留塔の底から、オゾン－ＣＦ４系ガスとして導出し、このオゾン－ＣＦ４系ガスを、本発明のプロセスガスとして使用した。
　光透過性反応用容器２１では、１７Ｏが濃縮され、最終的に製品となる酸素中の１７Ｏは、１０ａｔｏｍ％以上に濃縮された。
　なお、１７Ｏを含むオゾンアイソトポローグ１６Ｏ１６Ｏ１７Ｏのターゲット吸収波長は約１０００ｎｍにあり、レーザ光導波部材２５である光ファイバが低損失で使用できる波長領域にある。これは使用する光ファイバが容易に入手可能であり、レーザ光の損失を極力小さくして光化学反応を行うことができる点で重要である。
　また、第２及び第３の実施の形態で説明した光化学反応装置４０，４５，及び５０（連続的に光化学反応を起こさせる装置）を用いて、プロセスガスとしてオゾン（Ｏ３）とＣＦ４とを混合した混合ガスを用いてオゾン分子中の酸素同位体１７Ｏを濃縮した場合も、表１に示すような結果となる。
　本発明は、レーザ光を用いた光化学反応装置、及び光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法に適用可能である。本発明は、光化学反応におけるレーザ光の利用効率を高めることが可能な光化学反応装置、及び同位体濃縮方法を提供する。
　１０，４０，４５，５０，５５　光化学反応装置
　１１　クライオスタット
　１２　極低温液体
　１３　蓋体
　１３Ａ，１５Ａ，６２　貫通部
　１５　環状部材
　１６，６１　金属容器
　１６ａ，４６ａ，６１ａ　内面
　１７　フランジ
　１９　金属ミラー
　２１　光透過性反応用容器
　２３　第１の真空断熱空間
　２４　ヒータ線
　２５　レーザ光導波部材
　２５ａ　レーザ照射面
　２５Ａ，４１Ａ　先端
　２６　再液化装置
　２７　管路
　３１　第１の容器
　３１Ａ　空間
　３２　第２の容器
　３３　第２の真空断熱空間
　３５　管状部
　３６　反応室
　３６ａ　外壁
　４１　ガス供給管
　４６　石英ガラス容器（外部容器：第１の石英ガラス容器）
　４６ｂ　外面　
　５７　石英ガラス容器（内部容器：第２の石英ガラス容器）

Claims (25)

  1. 　内部に供給されたプロセスガスを、レーザ光により光化学反応させる光透過性反応用容器と、
    　前記光透過性反応用容器の外側に、前記光透過性反応用容器を囲むように配置され、前記レーザ光を反射する金属ミラーと、
    　前記光透過性反応用容器、前記金属ミラー、及び極低温液体を収容する構成であって、前記極低温液体により、前記金属ミラーの温度を極低温に保持するクライオスタットと、
    　を有する光化学反応装置。
  2. 　前記金属ミラーの温度が、１００Ｋ以下であることを特徴とする請求項１記載の光化学反応装置。
  3. 　前記光透過性反応用容器と前記金属ミラーとの間に、真空断熱空間を有することを特徴とする請求項１記載の光化学反応装置。
  4. 　前記金属ミラーを構成する金属が、金、銀、銅、アルミニウムのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の光化学反応装置。
  5. 　前記金属の純度が、９９．９９９９以上であることを特徴とする請求項４記載の光化学反応装置。
  6. 　前記金属ミラーが、金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の光化学反応装置。
  7. 　前記光透過性反応用容器は、石英ガラスまたはアクリル樹脂よりなることを特徴とする請求項１に記載の光化学反応装置。
  8. 　前記プロセスガスに、前記レーザ光を照射する、レーザ光導波部材を有することを特徴とする請求項１に記載の光化学反応装置。
  9. 　前記金属ミラーを構成する金属と同じ種類で、かつ前記金属ミラーを構成する金属よりも純度の低い金属よりなり、前記クライオスタットに収容されると共に、前記光透過性反応用容器を収容する金属容器を有し、
    　前記金属ミラーを、前記金属容器の内面を覆うように配置したことを特徴とする請求項１に記載の光化学反応装置。
  10. 　前記クライオスタットに収容され、前記光透過性反応用容器を収容すると共に、前記レーザ光を透過する石英ガラス容器を有し、
    　前記金属ミラーを、前記石英ガラス容器の内面、または前記石英ガラス容器の外面を覆うように配置したことを特徴とする請求項１に記載の光化学反応装置。
  11. 　前記石英ガラス容器は、純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラスよりなることを特徴とする請求項１０記載の光化学反応装置。
  12. 　前記レーザ光導波部材を、前記光透過性反応用容器内に配置したことを特徴とする請求項８に記載の光化学反応装置。
  13. 　前記光透過性反応用容器と前記金属ミラーとの間に、真空断熱空間を有し、前記レーザ光導波部材を、前記真空断熱空間に配置したことを特徴とする請求項８に記載の光化学反応装置。
  14. 　前記レーザ光導波部材は、光ファイバであることを特徴とする請求項８に記載の光化学反応装置。
  15. 　前記光透過性反応用容器の外壁に、ヒータ線を巻きつけたことを特徴とする請求項１に記載の光化学反応装置。
  16. 　前記光透過性反応用容器と前記金属ミラーとの間に、前記レーザ光を透過させ、かつ前記光透過性反応用容器を囲む石英ガラス容器を設け、
    　前記光透過性反応用容器と前記石英ガラス容器との間に、真空断熱空間を配置したことを特徴とする請求項９記載の光化学反応装置。
  17. 　前記レーザ光導波部材を、前記石英ガラス容器の外側に配置することを特徴とする請求項１６記載の光化学反応装置。
  18. 　前記石英ガラス容器は、純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラスよりなることを特徴とする請求項１６に記載の光化学反応装置。
  19. 　前記光透過性反応用容器は、純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラスよりなることを特徴とする請求項１に記載の光化学反応装置。
  20. 　前記クライオスタットは、前記極低温液体を収容する第１の容器と、前記第１の容器を収容する第２の容器と、前記第１の容器と第２の容器との間に設けられた真空断熱空間と、を有することを特徴とする請求項１に記載の光化学反応装置。
  21. 　前記第１の容器と接続され、前記極低温液体から形成された気体を再液化させる再液化装置を有することを特徴とする請求項２０記載の光化学反応装置。
  22. 　前記極低温液体が、液体ヘリウムであることを特徴とする請求項１に記載の光化学反応装置。
  23. 　請求項１の記載の前記光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法であって、
    　前記プロセスガスとしてＯ３とＣＦ４との混合ガスを、前記光透過性反応用容器内に供給する工程と、
    　その後、前記混合ガスに前記レーザ光を照射して光化学反応させることで、酸素同位体１７Ｏまたは１８Ｏを含む前記Ｏ３を選択的に光分解させる工程と、を有することを特徴とする光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法。
  24. 　前記光分解させる際の前記レーザ光の波長領域が、５００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項２３記載の光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法。
  25. 　前記光分解させる際の前記レーザ光の波長領域が、７００～１５００ｎｍであることを特徴とする請求項２３記載の光化学反応装置を用いた同位体濃縮方法。
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