JPH02258026A

JPH02258026A - レーザによる安定同位体濃縮法および反応容器

Info

Publication number: JPH02258026A
Application number: JP7893289A
Authority: JP
Inventors: Takashi Otsubo; 孝至大坪; Yuji Fujioka; 裕二藤岡; Koichi Chiba; 光一千葉; Naoya Hamada; 直也浜田; Takumi Kono; 巧河野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-03-30
Filing date: 1989-03-30
Publication date: 1990-10-18
Anticipated expiration: 2013-03-11
Also published as: JP2726091B2

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、赤外線レーザ光化学（多光子吸収解離）反応
を用いた安定同位体濃縮法およびその反応容器に係わり
、特にレーザ光のパワーを有効に反応に寄与させる方法
及び反応容器に関する。

〔従来の技術］近年のレーザ技術における大出力化、発振波長の多様化
は、レーザ光化学反応を利用する種々の元素の同位体分
離・濃縮技術を大きく発展させている。これは原料物質
の光吸収特性の同位体シフトを利用し所望の元素同位体
を含む物質のみの化学反応を促進するものである。炭素
を例として若干説明すれば、天然に存在する炭素は、質
量数１２と１３の同位体からなり、前者が９８．９％、
後者が１．１％を占める。従来の炭素１３の濃縮法はＣ
Ｏの低温蒸留に基づいているが、有毒ガスを大量に使用
する点、装置が大型となる点で問題であり、また製造コ
ストも高い、レーザを用いて、安全かつ小規模で安価に
炭素１３が濃縮されれば、その意義は大きい、同様に、
他の元素においても安定同位体が安価に濃縮出来れば社
会的にその意義は大きい。

従来、このようなレーザ光を利用する同位体分離・濃縮
に関して種々の方法および装置が提案されている０例え
ば米国特許第４３２８０７８号では炭素１２と炭素１３
を含むＣ５Ｆｈを１０７　。

ｒｒ以下の圧力で容器に満たし、波数９５０ないし１０
２１０２Ｏ’のレーザを１ジユール／　ｃ　ｍ−１以上
のフルエンスで照射し、”Ｃ，Ｆ、を生成させ、その後
物理的に分離することを特徴とする濃縮法を開示してい
る。また、米国特許第４４３６７０９号では原料として
ＣＦ、ＨＣｌを用いて同様に赤外線レーザを照射して炭
素１３化合物を濃縮する方法を開示している。さらに、
ハロゲン化メタンとハロゲン化水素との混合気体を炭酸
ガスレーザで照射して炭素１３を濃縮する方法（枠間［
６３−９７２１７号公報）およびヘキサフルオロエタン
とハロゲン分子との混合気体を同様に照射して炭素１３
をｔ！ｌ縮する方法（特開昭６０−１３２６２９号公報
）等が知られている。

一般に、工業的にレーザ光を用いる光化学反応工程を採
用するに当たって、レーザの初期コスト、ランニングコ
ストが高いため、レーザパワーの有効利用が必須の要件
である０通常の光化学反応工程は、例えば特開昭６０−
１３２６２９号公報の第１図に開示されているように、
レーザ光を長焦点レンズで集光して反応器内に導入し、
その焦点面近傍で光化学反応をおこなわしめるものであ
るが、このような反応器においては反応に寄与しないレ
ーザパワーは反応器出射端から散逸するため、レーザ発
振器から取り出されたレーザパワーの掻く一部しか化学
反応に利用されていない、レーザパワーの有効利用を図
るためには、特開昭５４−１２２９０号公報の第１図や
、特開昭５９−４２０２６号公報の第１図に開示されて
いるような反応器内でのレーザ光の多重反射によるマル
チパス方式が提案されている。しかし、この方式は原料
気体によるレーザ光の吸収係数が０．３％／　ｃ　ｍ程
度以上の場合、光路が２ｍでパワーは１／２以下に減衰
してしまうため、作用距離をあまり長くしても効果は上
がらない０反応器を出たレーザ光を収束レンズで再び集
光して第二の反応容器に導いた場合でも同様にあまり効
果は上がらない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、赤外線レーザ光を用いた光化学反応を利用す
る同位体分離・濃縮工程の中で最も高いコストを占める
レーザ光のパワーを有効に利用することで、レーザ出力
に対する光化学反応効率を向上させる簡易な方法と反応
容器を提供し、廉価な工程を実現することを目的とする
。

（！１１６を解決するための手段〕本発明は、光学系を用いてレーザ光を集光して反応容器
内に導入し、原料物質の光吸収特性の同位体シフトを用
いて所望の元素同位体の濃縮・分離を行うための方法に
おいて、反応容器内の光化学反応部分の前後に、赤外ｗ
Ａ透過孔をもつ仕切り板を介して非吸収空間室を設けて
、レーザ光を吸収する原料ガスの中をレーザ光が通過す
る範囲を、光化学解離反応の限界フルエンス以上の領域
に限定することで、原料ガスに吸収されながら光化学反
応に寄与することのなかったレーザパワーのロスを防止
し、反応容器を透過したレーザ光を再び集光レンズある
いはミラーによって収束させ同様な反応容器に導入する
ことにより、レーザパワーの大半を光化学反応に有効に
利用しうる構成としたものである。

〔作用〕

以下に、本発明の詳細な説明する。第２図はレーザ光化
学反応の原理を模式的に示した説明図である。一般に、
赤外多光子吸収を利用する光化学反応においては、レー
ザ光のフルエンスがある一定値以上になると急激に反応
効率が向上する、いわゆる限界フルエンスが存在する。

そのため、レーザ光は集光レンズ１により収束され、反
応はその焦点面近傍の限界フルエンス以上の領域２で進
行する。しかし、限界フルエンス以下の領域３にも原料
ガスが存在するのでレーザ光は吸収を受は減衰する０反
応容器を長さ方向に短縮し限界フルエンス以上の位置で
反応容器に入射し、かつ出射させることも考えられるが
、現在利用できる容器窓材の許容フルエンスは上記限界
フルエンス以下であるので、窓材の劣化が著しくなり有
効ではない、これに対して、第１図に示す本発明の構成
をとれば、窓材の許容フルエンス以下で反応容器に導入
されたレーザ光は、なんらパワーを失うことなく、原料
ガスを含まない非吸収空間室４を通過し限界フルエンス
以上に達し、赤外線透過孔５を持つ仕切り板６を透過し
て反応室７に到達する。

焦点面を通過し、再び限界フルエンス以下となったレー
ザ光は同様にして非吸収空間室４をへて、窓材の許容フ
ルエンス以下となった後、出口窓９を透過して反応容器
外に出る０反応容器外に出たレーザ光は、集光レンズで
再び収束して、上記と同様に構成された第２の反応容器
に導入される。

非吸収空間室は、アルゴン・窒素などレーザ光波長に吸
収を示さず、また原料ガスと化学的に反応する事もない
不活性なガスを、反応室に比べて正圧となるように供給
し、非吸収空間室と反応室との境界は赤外線透過孔を持
つ数枚の仕切り板で形成するようにして、構成すること
ができる。また、仕切り板を介して反応室と接するよう
に形成された空間、および仕切り板相互間の隙間空間を
真空排気ポンプによって差動排気することにより真空空
間を形成させて構成することもできる。

さらに、上述の方法で第１の反応のために複数個の反応
容器を透過させた後、限界フルエンスのより低い第２の
反応のために、同様にして再びレーザ光を利用すれば一
層効果が上がることはいうまでもない。

〔実施例〕

実施例１第１図に本発明による同位体濃縮・分離用容器の一例を
示す０図において、レーザ発振器１０は回折格子を組み
込んだパルスＴＥＡ炭酸ガスレーザであり、出力された
レーザ光は両面に減反射コーティングを施した長焦点の
集光レンズ１（ＮａＣ１、ｆ−２ｍ）で集光が始められ
、反応容器（長さ２．７ｍ、石英ガラス製）の入射端側
窓（ＮａＣ１製）８より入射する。原料気体は反応室７
に設けた導入口１１から導入され反応生成物を含む反応
後の気体は排出口１２から取り出される。レーザ光は反
応室７内で焦点を結んだ後、出射端側窓９から出射し、
第二のレンズで集光され第二の反応容器に導入される（
第二のレンズと第二の反応容器はいずれも図には示して
いないが、第１図に示したものと同様に構成したものを
用いるとよい）、なお、窓８．９には、反射によるレー
ザパワーの損失を防止するために、両面に減反射コーテ
ィングがされている０反応室７の前後には中心部にレー
ザ光を透過させる貫通孔５を備えた石英製円盤状仕切り
板６を約３０ｍｍ間隔で４枚づつ並べ、この仕切り板を
隔てて非吸収空間室４を設ける。非吸収空間室４にはガ
ス導入口１３からＡ「ガスを、反応室の圧力に対して数
Ｔｏｒｒの正圧で導入する。

以上に示した系を用いて炭素１３の同位体濃縮を、ＣＨ
ＣＩ　Ｆ、とＢｒよから構成される原料気体を用いて行
った。炭酸ガスレーザの発振ラインは９Ｐ　（２２）（
１０４５，０２ｃｍ”）に設定し、第１図の系で６ジユ
ール／パルス、また比較のため第２図の系では８ジユー
ル／パルスとし両者の結果を比較したところ、はぼ同等
な反応効率が得られた。したかっ−て、本発明により単
位レーザパルスエネルギー当たり反応効率は約３０％改
善され、さらにレーザの定格出力を８ジユールから６ジ
エールに低下させることが出来ることから、レーザの初
期コスト、ランニングコストの大幅な削減が可能となっ
た。

実施例２第３図に本発明の他の実施例を示す、第３図では、非吸
収空間室４は真空ポンプ（ロータリーポンプ）１４を用
いて形成される真空空間で構成される。真空空間と、低
圧の反応室の間には、実施例１と同様に中心部にレーザ
光透過用の貫通孔をもつ４枚の仕切り板をおき、仕切り
板間に形成される隙間空間をバリアプルリークパルプエ
５と真空ポンプにより差動排気した。この系で実施例１
と同様な実験条件で炭素１３の同位体濃縮を行った結果
、反応効率は従来法に比べ約３０％改善された。

実施例３第４図に本発明の他の実施例を示す、第４図の例では、
第１図に示した反応室７が（半径方向にみて）レーザ光
の透過する区域に限定されている。

この系では反応生成物が未反応原料ガスで希釈される割
合が減少するので、高濃度の反応生成物が得られる利点
がある。

また、上記と同様の反応効率改善効果が認められた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、レーザ光による
同位体分離・濃縮工程の中で最も高いコストを占めるレ
ーザ光のパワーを有効に利用することができ、レーザエ
ネルギーに対する光化学反応効率の改善、並びにレーザ
の各種の費用の低減が可能となるので、低コストの工程
を実現できる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は従来
法を示す模式図、第３図及び第４図は本発明の他の実施
例を示す構成図である。１、・・集光レンズ、２・・・レーザ光路で限界フルエンス以上の領域、３、
・・レーザ光路で限界フルエンス以下の領域、４・・・
非吸収空間室、５・・・レーザ光透過孔、６・・・仕切り板、７・・・反応室、８・・・レーザ光入口窓、９・・・レーザ光出口窓、】Ｏ・・・レーザ発振器、１１・・・原料ガス導入口、１２・・・反応生成物排出口、１３・・・不活性ガス導入口、１４・・・真空排気ポンプ、１５・・・バリアプルリークパルプ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）赤外線レーザを用いる多光子解離反応において、
レーザ光を吸収する原料ガスの中をレーザ光が通過する
範囲を、解離反応の限界フルエンス以上の領域に限定す
ることを特徴とする安定同位体濃縮法。
（２）反応容器の限界フルエンス以上の領域に原料ガス
を流し、限界フルエンス以下の領域は原料ガスより高い
圧力の不活性ガスを流し、両者を赤外線透過孔を持つ仕
切り板で区切る請求項１記載の安定同位体濃縮法。
（３）反応容器の限界フルエンス以上の領域に原料ガス
を流し、限界フルエンス以下の領域は真空とし、両者を
赤外線透過孔を持つ仕切り板で多段に区切り差動排気す
る請求項１記載の安定同位体濃縮法。
（４）原料ガスの入口および出口を備えた反応室と、該
反応室の前後に赤外線透過孔をもつ仕切り板を介して接
する非吸収空間室とを備えたことを特徴とする赤外線レ
ーザ多光子解離反応用の反応容器。
（５）限界フルエンス以上の空間のみを反応室とした請
求項４記載の赤外線レーザ多光子解離反応用の反応容器
。
（６）非吸収空間室が不活性ガス流通室である請求項４
又は５記載の赤外線レーザ多光子解離反応用の反応容器
。
（７）非吸収空間室が真空室である請求項４又は５記載
の赤外線レーザ多光子解離反応用の反応容器。