JPH02258028A - レーザ同位体分離におけるレーザ照射方法 - 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、レーザ光を利用して同位体分離を行う方法に
係わり、特に複数のレーザビームを特定の条件で重畳さ
せることにより、レーザパワーあたりの同位体分離効率
を向上させる方法に関する。

〔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
はレーザを光化学反応に利用しようという研究を促進さ
せてきた。レーザの光化学反応への応用の最も適当な例
は、水素からウランに至る種々の元素の同位体分離・濃
縮技術であり、これは原料物質の光吸収特性の同位体シ
フトを利用し、所望の同位体元素を含む物質のみの化学
反応を促進させることによる。従来このようなレーザ光
による同位体分離・濃縮反応系は種々の方法および装置
が提案されている０例えば特開昭６０−１３２６２９号
公報の第１図に開示されているものは、１本のパルス炭
酸ガスレーザ光を反応器内に導入し光化学反応を行うも
のである。一般に赤外多光子吸収を用いた光化学反応に
おいては、レーザのフルーレンズがある値以上になると
急激に反応効率が向上する所謂クリティカルフルーレン
ズが存在する。そのため、レーザビームは集光レンズに
より収束され、その焦点近傍で反応が進行する。

したがって、上述の例において、多量の反応生成物を得
たい場合には、レーザの大出力化を図りそれを長い焦点
距離のレンズで集光することにより、反応領域の拡大を
図っていた。しかるにレーザ光を用いた光化学反応工程
においては、初期コスト、ランニングコストの双方にお
いてレーザの占める部分が最も高く、なおかつレーザ出
力を増加させることは、初期コストのみならずランニン
グコストの飛躍的な増加につながるため、最終生成物当
たりの製造コストが相対的に高くなってしまう問題点が
あった。これに対応するため、特開昭５２−１５９９８
号公報の第２図に、複数の発振器から出力されたレーザ
ビームを同軸に重畳し、等価的な大出力レーザビームを
実現する方法が開示されている。この例においてはプリ
ズムを用いて２本のレーザビームを合成することが示さ
れているが、プリズムにおいて双方のレーザパワーの損
失を抑えて合成することは困難である。また特開昭５６
−９１８２７号公報及び特開昭５６−９１８２８号公報
の本文中には、２本の若干波長のシフトしたレーザビー
ムを偏光特性を利用したブリュースター板で結合する方
法、あるいは反応器両端からそれぞれを対向させて重畳
する方法が提案されている。前者の方法では、屈折率の
大きい材料を用いればそれぞれのレーザパワーの損失を
比較的抑えて同軸に合成することができるが、合成され
たレーザパワーの平均出力が大きくなるとブリュースタ
ー板の耐光強度や熱暴走の問題から、長時間にわたる安
定したビームの重畳が困難となる。

また後者の方法においては、ビームの同軸重畳が容易に
実現されるが、反応に寄与しないレーザビームがそれぞ
れ反応器の両端から透過してくるため、その残存パワー
で対向するレーザ発振器に損傷をきたすおそれがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、レーザ同位体分離・濃縮工程の中で最も高い
価格を占めるレーザに関するコストを抑えるため、比較
的低出力の複数のレーザビームを安定に重畳することで
、レーザ総出力に対する光化学反応効率を向上させ得る
簡易な方法を提供するものである。さらにはそれにより
廉価な工程を実現することを意図したものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、パルスレーザ光を原料気体の存在する反応器
内に導入し、原料気体の光吸収特性の同位体シフトを用
いて所望の元素の同位体分離を行うレーザ同位体分離に
おけるレーザ照射方法において、独立のレーザ発振器か
ら出力された同一波長の複数のレーザビームを、反応器
内の反応領域で空間的・時間的に重畳させるため、光軸
を調整して各々のレーザビームの成す角を３０’以内と
し、かつ、レーザ発振器の発振タイミングを調整してレ
ーザパルス相互のずれを１００ｎｓｅｃ以内に調整して
照射することを特徴とするレーザ同位体分離におけるレ
ーザ照射方法である。

〔作用〕

以下に本発明の詳細な説明する。第２図は本発明の原理
を模式的に示した説明図である。同図（ａ）は従来法に
よる単一ビームの集光状況を模式的に示したものである
。レーザビーム３の集光レンズ１による集光径はレンズ
の焦点距離にほぼ比例するため、一定のレーザ出力に対
してそのエネルギ密度をクリティカルフルーレンズ以上
にするために、（ａ）では比較的短焦点距離の集光レン
ズ１を用いる必要がある。その結果、焦点深度も短くな
るため、クリティカルフルーレンズ以上のエネルギ密度
かえられる反応領域２は限られたものとなっている。そ
れに対し、本発明による同図（ｂ）に示された構成をと
れば、（ａ）で示された例よりも長い焦点距離の集光レ
ンズ１を用いてゆるやかに集光した２本のレーザビーム
３を両者の焦点近傍で重ね合わせることにより、（ａ）
と同等なエネルギフルーレンズの反応領域２をより広い
範囲にわたって得ることができる。ここで、種々の実験
並びに理論計算の両面から鋭意検討を行った結果、同等
の出力の２本のレーザビームを両者の成す角が３０°以
内となる条件下で重畳すると、各々のレーザビームを独
立に使用する場合よりも単位レーザ出力光たりの反応効
率が改善されることが判明した。以上の構成をとれば、
ビーム重畳のための特別な光学系を用いることがなく、
またレーザビームの対向重畳でもないことからそれぞれ
のレーザ発振器に損傷をきたすおそれも無いので、安定
した工程の実現が可能となる。ここまでは、２本のレー
ザビーム３の時間軸上での重なり合いについては無視し
てきたが、一般に光化学反応によく用いられるＴＥＡＣ
Ｏ，レーザのパルス半値幅が５０〜１００ｎｓｅｃであ
ること、ならびに原料気体の励起寿命を考慮した結果、
双方のレーザビーム３の時間的なずれは１００ｎｓｅｃ
以内に設定することが必要である。従来、光励起化学反
応においては波長の違う２本のレーザビームを励起用、
解離用に供給する例が多数報告されているが、この場合
、解離用レーザビームは必ず励起用のそれの後に限定さ
れたタイミングで供給されなければならない、これは工
業的に製造工程を実現する場合、２台のレーザ発振器の
発振タイミングを順序もあわせて精密に制御しなくては
ならないことから、スイッチングのジッター等を考慮す
ると長時間にわたる安定した実現は容易ではない。

それに対してほん発明では同一波長のレーザビームを用
いていることから、両者の発振順序がスイッチングジッ
ターのた。めに逆転してもよく、また１　００ｎｓｅｃ
以内での時間軸上での重ね合わせは、一般に高電圧スイ
ッチとして最も簡単な構成で使用されているスパークギ
ャップ等を用いても容易に実現できるジッターのレベル
である。ここまでは、単位がＪ／ｃｌＩ！で表現される
レーザのフルーレンズについて述べてきたが、一般に多
光子解離を用いた化学反応は、レーザパルスのピーク出
力が高いほど効率が良くなる。前述の如く複数のレーザ
パルス（半値幅：　５０＝ｌ　Ｏ０ｎｓｅｃ）を１００
　ｎ５ｅｃ以内の時間幅で重ね合わせることは、複数パ
ルスの大部分を重ね合わせることになるので、その複合
されたパルスのピークパワーは大幅に増加し、反応効率
が更に改善される。したがって本発明によれば、比較的
低出力のレーザビームを重畳することで、その反応効率
を飛躍的に改善することができる構成となっている。更
に一般のパルス放電型気体レーザにおいては、レーザ出
力をその限界値よりも下げれば、レーザガス、高電圧ス
イッチ、電極、電源等の寿命が出力の減少分の逆数より
もはるかに伸びるので、消耗品費を含めたレーザランニ
ングコストは大幅に改善されるので、反応効率の改善の
他に廉価な工程の実現に有効な構成となっている。なお
第２図（ｂ）においては、２本のレーザビームを重畳さ
せる例を示したが、３本以上のレーザビームをそれぞれ
に立体的な角度を持たせて重畳させ、更に反応領域の拡
大を図る構成としてもよい、また反応に寄与せず透過す
るレーザビームは散逸するものとしたが、後方で更にも
う一度それぞれを集光重量する構成、あるいは元の反応
領域にそれぞれを折返し再度重ね合わせる構成としても
よい。

〔実施例〕

第１図に本発明に係わるレーザ同位体分離におけるレー
ザ照射方法の一例を示す９図においてレーザ発振器４は
回折格子を組み込んだパルスＴＥＡ　ＣＯｚ　レーザで
あり、出力されたレーザビームは両面に減反対コーティ
ングがほどこされた長焦点の集光レンズ！　　（ＮａＣ
１，ｆ＝２ｍ）でそれぞれ集光が始められ、原料気体の
存在する反応器５（長さ２．７　ｍ　ｓ石英ガラス製）
に入射する。２本のレーザビーム３はそれぞれの焦点位
置が−敗し、両者の光軸の成す角が１０’になるよう調
整されており、両者の発振タイミングのずれはｓ。

ｎ５ｅｃ以内になるよう、同一のトリガ信号発生器６か
らトリガ信号が２台のレーザ発振器４に供給される。

以上に示した系を用いて炭素１３の同位体濃縮をＣＨＣ
ＩＦ！とＢｒ、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）（１０
４５，０２ｃｍ−’）　に設定し、レーザ出力は２台と
も４Ｊ／パルスとした。この結果、炭素１３が濃縮され
たＣＢｒ、Ｆ、の生成率として４Ｘ１０−’ｎｏｔ／パ
ルス（１パルス当たりの全エネルギ；８Ｊ）の効率が得
られた。また比較のために、１台の４Ｊ／パルス出力の
レーザ発振器４を用いて、焦点面でのエネルギフルーレ
ンズを同等にするため、ｆ＝１．４ｍの集光レンズ１で
レーザビームを集光して反応を行わせたところ、炭素１
３が濃縮されたＣＢｒ、Ｆ、の生成率として１．５　Ｘ
　１０−’ｎｏ　］　／パルス（１パルス当たりのエネ
ルギ：４Ｊ）の効率が得られた。したがって、従来法に
比べて本発明によるレーザビームの重畳照射を行うこと
で、レーザパルスの単位エネルギ当たりの反応効率が３
０％以上改善された。

（発明の効果〕 以上説明したように、本発明のレーザ照射方法を用いれ
ば、レーザ光による同位体分離・濃縮工程の中で最も高
い価格を占めるレーザ光の単位エネルギ当たりの光化学
反応効率を改善することができるので、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図は本発明のレーザ同位体分離におけるレーザ照射
方法の一実施例を示す構成図、第２図（ａ）及び（ｂ）
は従来法並びに本発明のレーザ同位体分離におけるレー
ザ照射方法の原理を比較説明するための模式図を表す。 １・・・集光レンズ、 ３・・・　レーザビーム、 ５・・・反応器、６・・・ ２・・・反応領域、 ４・・・レーザ発振器、 トリガ信号発生器。 出願人　新日本ａＪ鐵　株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. パルスレーザ光を原料気体の存在する反応器内に導入し
   、原料気体の光吸収特性の同位体シフトを用いて所望の
   元素の同位体分離を行うレーザ同位体分離におけるレー
   ザ照射方法において、独立のレーザ発振器から出力され
   た同一波長の複数のレーザビームを反応器内の反応領域
   で交差させ、各々のレーザビームの成す角を３０°以内
   とし、かつ、レーザパルス相互のずれを１００ｎｓｅｃ
   以内に調整して照射することを特徴とするレーザ同位体
   分離におけるレーザ照射方法。