JPH01249128A - 同位体分離装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はレーザ法による金属原子の同位体分離装置に係
わり、特に不純物イオンの混入を防止し同位体の分離性
能を向上させた同位体分離装置に関する。

（従来の技術） 一般に複数の同位体を含む物質の中から特定の同位体を
分離し、この特定の同位体の特性を引出す等して利用す
ることがしばしば行なわれるゆ一例として、天然に産出
する金、Ｉ２！ｃ原子がたとえば質量数の軽い第１の同
位体を少量含み、残りの大部分が質量数の重い第２の同
位体であって、この金属原子から第１の同位体を分離し
て利用する場合がある。

従来、このような同位体を含む金属原子から第１の同位
体を分離し、所定濃度レベルまで高める分離濃縮手段と
してはガス拡散法、遠心分離法、レーザ法などがあり、
いづれも同位体の化学特性又は物理特性の相違を利用し
て分離濃縮操作を実施している。

ここに、レーザ法による同位体分離装置について述べれ
ば、複数の同位体を含む金属原料を加熱溶融して蒸発さ
せ、生成した金属蒸気流にレーザ光を照射し、蒸気流中
の特性の同位体、例えば第１の同位体を選択的に陽イオ
ン化し、陽イオン化した第１の同位体に電界を作用させ
て分離回収するように構成されている。

このレーザ法による同位体分離装置の一例を第４図及び
第５図を参照して説明する。

第４図はレーザ法による同位体分離装置の構成を模式的
に示す斜視図を表し、第５図は第４図の１−１線を矢視
した断面図を表す。

第４図および第５図において、同位体を含む金属原子１
は熱化学的耐性を有する例えば坩堝などの蒸発用容器２
内に装荷される。この蒸発用容器２は、はぼ真空状態に
維持された密封容器３の内底部に設置されている。次に
リニア電子銃４から発射される電子ビーム５を図示しな
い外部磁場コイルによって印加される直流磁場６により
偏向して蒸発用容器２内の金属原子１に照射する。電子
ビーム５の照射を受けた金属原子１は高温に加熱されて
蒸発し、蒸気流７を形成する。蒸気流７には、金属原子
１を構成するたとえば２種類の同位体が含まれている。

一方、蒸発用容器２の上方には、帯状の陽電極８と陰電
極９とが交互に配設され、これらの電極間にそれぞれ光
反応部１０が設けられ、この光反応部１０の長手方向に
２種類のうちの第１の同位体のみを選択的に励起電離さ
せるレーザ光１１がレーザ発生装置１２により発生、入
射され、蒸気流７と光反応を行なう。レーザ光１１の波
長は上記した第１の同位体の共鳴電離波長に調整されて
おり、光反応部１０に導入された蒸気流７に含まれる第
１の同位体の原子のみがレーザ光１１と共鳴し、一定の
確率で選択的に電離される。

電離された第１の同位体のイオンは陽電極８と陰電極９
との間に、レーザ光１１と同期した電極電圧を印加する
ことにより形成された電場によって回収電極となる陰電
極９の表面に吸着回収される８一方、電離せずに光反応
部１１を通過した第１の同位体及び第２の同位体の混合
蒸気流は、光反応部ｌＯの外縁部に配設された蒸気回収
板１３に吸引回収される。回収された蒸気粒子は、別途
の手段により蒸発用容器２に還流される。

（発明が解決しようとする課題） 上述した同位体分離装置によれば、同位体の分離操作の
前処理において、強力な電子ビームを照射して高温下で
金属原子を溶融後蒸発せしめて蒸気流を生成する工程を
有するため、生成した蒸気流には、高温条件下で発生し
た各種の不純物イオンが含まれる。

不純物イオンとしては、金属原子の加熱源である電子ビ
ームと金属蒸気流とが衝突して発生する第２の同位体の
衝突電離イオンや、金属蒸気流が高温熱源と接触して発
生する第２の同位体、その他の金属の熱電離イオンがあ
る。

従って、これらの不純物イオンを含む金属蒸気流が流れ
る陽電極と陰電極との間に直流電場を印加した場合は、
不純物イオンが第１の同位体のイオンに同伴して回収電
極となる陰電極に吸収される。

そのため、目的とする同位体の分離係数が低下して濃縮
度が小さくなり１回収された第１の同位体の純度品質を
低下させる原因となっていた。

本発明は上記した問題点を解決するためになされたもの
であり、金属蒸気流が同位体捕集装置に導入される前の
段階で、含まれる不純物イオンを排除する手段を設ける
ことにより、不純物となるイオン化された同位体の製品
への混入量を低減し、分離効率の指標となる分離係数を
高く維持し、製品の純度が高い同位体分離装置を提供す
ることを目的とする。

〔発明の構成〕 （課題を解決するための手段） 本発明においては、複数の同位体を含む金属原子が収容
された熱化学的耐性を有する上面開放容器と、この容器
の側方に配設された電子ビームの発生手段と、電子ビー
ムに直交してこれを金属原子の表面に投射させる直流偏
向磁場を与える磁場発生手段と、容器の上方に配設され
、且つ電子ビームによって加熱融解された金属原子が発
生する蒸気流を誘導する蒸気流通路と、この蒸気流通路
の上方ら配設され、且つ蒸気流に入射されて金属原子に
含まれる特定の同位体を選択的に励起電離可能とされた
レーザ光を発する照射手段と、電離された同位体に電界
を作用させ、これを吸着回収する電極とを有する同位体
分離装置について、これに、蒸気流通路に設けられ、且
つ直流偏向磁場に直交する直流電場を与える電場発生装
置を設けた。

（作　　用） 電子ビームを投射されて加熱融解された金属原子の蒸発
流中に含まれ、レーザ光によって電離された特定の同位
体は、反対極性の電極に吸着され回収される。ここで蒸
気流中には、回収を特徴とする特定の同位体のイオン以
外に、熱電離あるいは電子ビームと衝突してイオン化さ
れた同位体、およびこのイオン化された同位体から遊離
した熱電子、さらに電子ビームが容器に収容された金属
原子上で反射散逸した高速電子等の荷電粒子を含有して
いるが、蒸気流通路には直流偏向磁場に直交する直流電
場が与えられているため、これらの荷電粒子は、直流偏
向磁場と直流電場による電磁的ドリフトによる偏向を受
けて蒸気流から疎外され、同位体を吸着回収する電極ま
で到達するものは極めて希になる。したがって電極には
、はとんどレーザ光によって電離された特定の同位体の
みが捕集され、不純物の混入量は極めて少なくすること
ができる。

（実　施　例） 以下１本発明の一実施例について第１図を参照して説明
する。第１図は本発明に係る同位体分前装置の一実施例
の構成を示す断面図である。尚、第４図及び第５図に示
す従来例と同一の構成要素、部品には同一の符号を付し
ている。

同位体分離装置は、金属原子１を収容した蒸発用容器２
と、蒸発用容器２に収容された金属原子１にリニア電子
銃４から発する電子ビーム５を照射して金属原子１を加
熱蒸発せしめ、蒸気流７を生成する蒸気生成装置１４と
が備えられている。この蒸気生成装置１４の上方には、
陽電極８と陰電極９を交互に並置して形成した同位体捕
集装置１５が設けられている。陽電極８と陰電極９との
間には光反応部１０が形成され、この光反応部１０を流
れる蒸気流７に電離用レーザ光１１が照射されるように
なっている。電離用レーザ光１１の照射によってイオン
化された同位体は、電源袋［１６によって陽電極８と陰
電極９間に形成された電場によって回収電極側に偏向さ
れ÷分離されるようにされている。

蒸気生成装置１４と同位体捕集装置１５との間には。

蒸発用容器２から放射状に流れる蒸気流７の蒸気流通路
１７が設けられ、さらにこの蒸気流通路１７に、電子ビ
ーム５を偏向するための直流磁場６と交差する直流電場
１８を印加するための電源装置１１９、及び蒸気流通路
１７の両側に配した補助電極（陽極）２０ａ及び補助電
極（陰極）２０ｂから成る直流電場発生袋Ｗ１２１を備
えている。

すなわち直流電場発生袋＠２１は蒸気流通路１７に、蒸
気流７の方向及び直流磁場６の方向に直交する直流電場
１８を形成するようにされている。

次にこれの作用について述べる。

は 蒸気生成装置１４から生成される蒸気流７−！−１熱電
離もしくは電子ビーム５との衝突電離によりイオン化さ
れた同位体及びこのイオン化同位体から遊離した熱電子
、さらには電子ビーム５が金属原子１上で反射散逸した
高速電子等の荷電粒子を含有している。

すなわち、蒸気生成装置１４から副産する不純物イオン
及び電子は、蒸気流通路１７に流入するや否や、直流電
場１８及び直流磁場６の影響を受けることになる。互い
に交差する直流電磁場における荷電粒子の挙動は、第２
図及び第３図に図示する如く電磁場におけるドリフト運
動として記述され。

本実施例の構成では不純物イオン流２２ａ、　２２ｂ及
び電子流２３は蒸気生成装置１４の方へ押しもどされ。

蒸気流７と共に同位体捕集装置１５へ到達することはな
い。

以下第２図及び第３図を参照して上記した作用を詳述す
る。第２図は第１図に於ける蒸気流通路１７での粒子挙
動を示すものであり、蒸気流７の大部分を占める中性原
子２４は、中性原子同士の衝突散乱を受けない限り、電
磁場の影響とは無関係に直進する軌道２５上を運動する
。こＮで中性原子２４の平均速度Ｐａは１例えば操作温
度Ｔを２７００に、原子質ｆｆ１ｍを３．９５２Ｘ１０
−”ｋｇ、ボルツマン定数ｋを１．３８１　Ｘ　１Ｏ−
２３Ｊ／にとすれば下記０式のようになる。

イオン２６は０式と同程度の平均速度を有するが、直流
電場１８をＥ　＝　ＩＯＶ／ｍ、直流磁場６をＢ＝１０
−”ｉｉｂ／　ｒｒ？とすると、イオン２６の軌道２２
ａは図示する様な螺旋運動となり、電場Σと磁束密度Ｂ
の場におけるドリフト速度ｔｄとして０式の通り与えら
れる速度で、中性原子２４と逆向きの運動をする。

但しＢはＢの大きさを表す。

電子２７についてもイオン２６と同一方向、同一速度の
ドリフト運動をすることになり、軌道２８の様な螺旋運
動をして荷電粒子が上方の同位体捕集装置へ流入するの
を阻止している。厳密には、中性原子２４とイオン２６
との衝突散乱によりイオン２６は軌道２２ａの様な単純
な螺旋運動をしないが、（３）式の様にドリフト速度／
ｄを原子速度Ｐａよりも充分大きく設定することにより
、イオン阻止効果を維持することができる。

？ｄ＞？ａ　　　　　　　　　　　　　　　００式及び
０式は０式を満足しているので、本実施例ではイオン２
６は蒸気流７から除去され、蒸気生成装置１４へもどさ
れる。このとき、電子２７は電磁場中での易動度がイオ
ン２６に比べて極めて大きい為、イオン２６に随判する
動きをし、荷電粒子流としての電気的中性を保持しよう
とする。

また、イオン２６のドリフト運動を記述するパラメータ
としてドリフト速度？ｄの他に旋回半径γ。

がある、イオン２６の質量Ｊをほぼ原子質量ｍ＝３．９
５２　Ｘ　１０−”　ｋｇに等しいとし、イオン２６の
磁場６と直交する速度成分Ｖ、がほぼ０式に等しいとし
、イオン２６の荷電量を矛としてイオン２６が１価イオ
ンと考えてｆ　＝　１．６０２　Ｘ　１０−”　ｃとす
ることによりイオン２６の旋回半径γＣは（イ）式の通
り与えられる。

ｍｉｙ上 γＣ： Ｂ ｍすａ α□ユ０．１２ｍ　　　　　　　　　　　　（イ）Ｂ すなわち（イ）式に示す旋回半径γ。は蒸気流通路１７
の幅に比べて充分小さい為、旋回運動を妨げる形状要因
はない。さらに旋回運動を阻害するものとして中性原子
２４との衝突過程があるが、衝突過程に於ける平均自由
行程λは、衝突断面積σを５、Ｏｘ　１Ｏ−１９ｒｒｒ
、原子数密度ｎを１０１ｍ、−３とすると０式の通り得
られ、本実施例では０式の様に平均自由行程λが旋回半
径γ。よりも大きくなり、衝突による旋回運動の阻害は
あまり有効でない。

λ〉γ。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０
また。中性原子２４の平均速度ｖａとして０式の通り与
えられるが、厳密には中性原子２４の速度は速度分布関
数により決定され、０式の速度は統計的平均値に過ぎな
い、従って確率的には高速の中性原子も存在し得るし、
イオンについても同様である。高速イオンについてこの
挙動を図示するのが第３図であり、旋回半径γ。が大き
くなり、軌道２２ｂの様な運動をする。このとき蒸気流
通路１７の幅、すなわち補助電極２０ａ、ｂの間隙長よ
りも旋回半径γ。が大きくなり、もはや高速イオンにつ
いては蒸気生成装置１４の方へのドリフト運動はできず
に補助電極２０ｂに捕集されてしまう。

以上の如く電子ビーム５の照射によって発生し、蒸気流
７に混入した不純物イオン及び電子は、蒸気流通路１７
に配設された直流電場発生装置２１により予め除去され
る。このため光反応部ｌＯに流入する蒸気流７には不純
物となる荷電粒子は含まず、電気的に中性な成分のみか
ら成る蒸気流７を供給することができる。従って同位体
捕集装置１５の回収電極に吸引される不純物量を大幅に
低減することが可能となり、装置全体としての同位体の
分離係数が改善され、純度品質が優れた同位体を効率よ
く得ることができる。尚、蒸気流７を光反応部１０へ導
入した後の操作手順は従来の装置におけるものと同様で
ある。

また本実施例によれば既存の同位体分離装置の機器構成
に抜本的な改造変更は要しない、すなわち蒸気流通路に
直流電場発生装置を新たに装備するだけで蒸気流に含ま
れる電子、イオン化同位体、金属イオンなどの荷電粒子
を容易に除去することができる。

なお本発明には、直流偏向磁場に対する直流電場の方向
を、直流電場から直流偏向磁場の方向へ右ねじを回転さ
せたとき、この右ねじの進行方向が蒸気流の進行方向（
上昇）と逆向する方向としたものを含む。

本発明によれば、同位体分離装置の蒸気補合装置の回収
電極に吸引される不純物量を大幅に低減することが可能
となる。したがって同位体分離装置の運動効率の指標と
なる分離係数が高く、また分離回収した同位体製品の純
度、品質を大幅に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を模式的に示す断面図、第２
図および第３図は第１図の作用を説明するための模式図
、第４図は従来の同位体分離装置の要部を示す斜視図、
第５図は第４図の１−１線を矢視した断面図である。 １・・・金属原子　　　　　２・・・蒸発用容器４・・
・リニア電子銃　　　６・・・直流磁場７・・・蒸気流
　　　　　　９・・・陰電極１１・・・レーザ光　　　
　　１７・・・蒸気流通路１８・・・直流電場　　　　
　２１・・・直流電場発生装置代理人　弁理士　則　近
　憲　佑 同　　第子丸　健 第１図 第２図 −−−−−−−−−−ベケ〜侶

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、複数の同位体を含む金属原子が収容された熱化学的
   耐性を有する上面開放容器と、この容器の側方に配設さ
   れた電子ビームの発生手段と、前記電子ビームに直交し
   てこれを前記金属原子の表面に投射させる直流偏向磁場
   を与える磁場発生手段と、前記容器の上方に配設され且
   つ前記電子ビームによって加熱融解された前記金属原子
   が発生する蒸気流を誘導する蒸気流通路と、この蒸気流
   通路の上方に配設され且つ前記蒸気流に入射されて前記
   金属原子に含まれる特定の同位体を選択的に励起電離可
   能とされたレーザ光を発する照射手段と、前記電離され
   た同位体に電界を作用させこれを吸着回収する電極とを
   有する同位体分離装置において、前記蒸気流通路に設け
   られ且つ前記直流偏向磁場に直交する直流電場を与える
   電場発生装置を設けたことを特徴とする同位体分離装置
   。