JPH0243924A - 同位体濃縮方法，同位体濃縮装置，同位体分離方法及び同位体分離装置 - 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】 ［産業上の利用分野〕 本発明は、同位体分離方法及び装置、特にレ−ザを用い
て同位体分離ターゲット物質から質量数或いは原子量の
異なる同位体イオン或いは同位体中性原子を分離し或い
はこれを回収するための改良された同位体分離方法及び
装置に関するものである。

［従来の技術］ ターゲット物質から質量数の異なる同位体イオン或いは
同位体中性原子を分離させ、天然に存在するこれらの同
位体比率と異なる人工的な存在比率を得ることは各種の
質量分析、濃縮その他において有用である。

これらの同位体分離に対し従来よりレーザを利用する手
法が知られており、実用性を有する。

通常、このような同位体分離はターゲット物質の原子状
態に外部からエネルギを与えてターゲット物質から原子
粒子を発生させ、次にこの原子粒子中の所望の同位体を
励起させ、更にこのようにして得られた同位体イオン或
いは同位体中性原子を電離させる工程によって行われる
。

従来において、前記各工程に対してはそれぞれ別個のエ
ネルギ源が用いられている。即ち、前記ターゲット物質
から原子粒子を発生するためには、ターゲット物質に対
して電子ビーム或いはイオンビーム等の比較的高エネル
ギのビーム照射が行われ、或いはターゲット物質を高温
度に加熱することによって行われる。

そして、このようにして得られた原子粒子に対しては、
特定の同位体原子に対する選択的な励起作用を行うため
に、所望の光吸収帯（同位体シフト）の波長を有するレ
ーザ照射が行われる。

そして、次にこの励起された同位体イオン或いは同位体
中性原子を電離させるためには更に紫外線或いはＸ線な
どの照射が行われ、これによって、質量数の異なる同位
体の分離回収を行うことが可能となる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前述したごとく、従来の手法によれば、
ターゲット物質に対して複数の分離工程を必要とし、ま
たレーザは特定の選択させた同位体原子のみに固有の光
吸収帯波長で発振するレーザ源から得られなければなら
ず、必要な同位体ごとにこのような開存波長のレーザ源
を別個に用意しなければならないという問題があった。

特に、それぞれの同位体に定まる光吸収帯（同位体シフ
ト）は比較的その周波数領域が狭いので、前記レーザの
発振波長は精密に調整されなければならないという問題
があった。

本発明は上記従来の課題に鑑み為されたものであり、そ
の目的は、極めて簡単にターゲ・ント物質からｆ１ｍ数
或０は原子量の異なる同位体イオン又は同位体中性原子
を容易に分離回収することのできる改良された同位体分
離方法及び装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る方法は真空排
気された減圧状態にターゲット物質をおき、このターゲ
ット物質に高出力レーザを照射して前記ターゲット物質
から高密度プラズマを発生させることを特徴とする。

本発明において、前記プラズマ中において、生成した電
子、イオン及び中性原子はその粒子密度が極めて高いの
で、互いに多数回衝突し、これによって天然同位体比率
と異なる人工的な比率を形成させることができ、同位体
濃縮の状態が実現でき質量数或いは原子量の異なる同位
体を極めて容易に分離することができる。

本発明に係る同位体分離装置は、ターゲット物質を内部
に収納し、定圧保持手段によって真空排気される気密容
器と、この気密容器内に前記ターゲット物質を所定位置
で載置固定するホルダと、所定圧力に減圧された気密容
器内のターゲット物質に高出力のレーザビームを照射す
るレーザ源と、この時のレーザビームをターゲット物質
に導く光学系手段とを含み、前記ホルダによってターゲ
ット物質は高出力レーザの照射によって発生したプラズ
マの内部で電子、同位体イオン及び同位体中性原子が互
いに衝突できる位置に保持される。

従って、本発明装置によれば、前記発生した高密度プラ
ズマ中で気密容器内での電子、イオン及び中性原子間の
相互衝突が複数回繰り返されることで同位体濃縮イオン
又は中性の原子状態が実現できる。そして、これによっ
て、質量数或いは原子量の異なる同位体を容易に分離す
ることができる。

更に、本発明の他の装置によれば、前記減圧された気密
容器内には前述のごとく分離された同位体を回収するた
めの分離回収部が設けられ、質量数或いは原子量の異な
る同位体の分離回収を容易に行うことが可能となる。

第１図には本発明に係る同位体分離が行われる分離装置
が示され、以下に第１図に基づいて本発明の方法及び装
置を詳細に説明する。

本発明において、気密容器１０は耐圧密閉容器から成り
、定圧保持手段を備えている。図において、この定圧保
持手段は真空ポンプ１２と圧力調整器１４とから成る。

従って、本発明における気密容器１０はその内部を所望
圧力に真空排気しこの減圧状態を維持することができる
。

前記気密容器１０内には回転テーブル１６が設けられて
おり、更にこの回転テーブル１６には二次モータ１８が
固定されており、このモータ１８の主軸にはターゲット
ホルダ２０が固定されている。従って、前記回転テーブ
ル１６及び二次モータ１８のそれぞれ方向の異なる回転
作用によって、前記ターゲットホルダ２０は気密容器１
０内において任意にその位置及び方向を調整することが
可能となる。

前記ターゲットホルダ２０の前面には本発明におけるタ
ーゲット物質１００が載置固定される。

本発明において、前記ターゲット物質１００からは後述
するごとく高密度プラズマが発生し、この高密度プラズ
マ中における電子、イオン及び中性原子の相互の衝突の
繰り返しによって本発明において所望の質量数或いは原
子量の異なる同位体が分離されるので、前記ターゲット
ホルダ２０は気密容器１０内の一方側に偏った位置に設
けられ、高密度プラズマが十分に気密容器１０内におい
て展開できるスペースを確保している。

前記気密容器１０にはレーザ入射窓２２が形成されてお
り、このレーザ入射窓２２に向かってレーザ源２４が設
けられている。

そして、前記レーザ源２４から生じたレーザビームＬＢ
は光学系手段２６を通ってビームが集束され、前記ター
ゲット物質１００に向かって高出力のレーザを照射する
。このようにしてターゲット物質１００に照射されるレ
ーザの密度は前記光学系手段２６の光軸位置調整により
任意に制御することができる。

本発明において、前記気密容器１０内には、更に、前記
高出力レーザの照射によってターゲット物質１００から
生じた高密度プラズマ２００の領域に伸張した分離回収
部２８を設けることが可能であり、この分離回収部２８
によって高密度プラズマ２００内における電子、イオン
及び中性原子の相互間の複数回の繰返し衝突によって生
じた質量数或いは原子量の異なる同位体が分離回収され
、本発明によって人工的に得られた同位体比率を求める
ことが可能である。

［作用］ 従って、本発明によれば、ターゲット物質１００に対し
て高出力レーザが照射され、この結果、ターゲット物質
１００からは高密度プラズマ２００が発生し、この高密
度プラズマ２００内において、電子、イオン及び中性原
子が複数回相互間の衝突を繰り返し、この結果、プラズ
マ２００内では励起及び電離が行われることとなり、こ
のようにして、本発明は、単にターゲット物質１００へ
の高出力レーザの照射とそれに伴う高密度プラズマの形
成のみで天然同位体比率と異なる人工的な比率を形成さ
せることができ、同位体の濃縮状態が実現でき極めて簡
単に質量数或いは原子量の異なる同位体を分離すること
が可能となる。

［発明の効果］ 以上のようにして、本発明によれば、同位体の分離に対
して、高出力レーザの照射のみで、同位体分離に必要な
原子粒子の発生、選択励起及び分離を気密容器内にて行
うことが可能となり、装置及び手順を極めて簡略化する
ことが可能となる。

また、本発明におけるレーザ照射は、従来のような分離
が必要な同位体の光吸収帯領域に拘らずレーザビームの
波長を定めることができるので、従来のような精密な波
長調整を必要としないという利点がある。

また、本発明の装置は、気密容器とレーザ源及び光学系
手段そしてターゲット物質を気密容器内に固定保持する
ためのホルダを設ければよく、従来のような原子粒子の
発生、選択励起及び電離の各工程に対して必要な装置を
除去することができるという利点を有し、更にターゲッ
ト物質に制約がない。

更に、本発明において、前記気密容器内に分離された同
位体の分離回収部を設けることによって、極めて簡単に
必要な同位体比率その他を測定することが可能となる。

［実施例コ 以下本発明の好適な実施例を説明する。

実施例１ 第１図において、レーザ２４として Ｎｄ＋ＹＡＧＱスイッチレーザを用い、波長として第２
高調波５３２ｎｍ（パルス幅１０ナノ秒）を用へ照射レ
ーザパワー密度を１０９〜１０１１Ｗ／ｃｍ　　とし、
容器１０の内圧を１０−”　〜１Ｏ−７Ｔｏｒｒと真空
排気しながら、ターゲット物質１００としてＮｉを用い
た実施例を表１に示した（Ｎｉ＋で測定）。

表　　１ 本実施例により６ＯＮ、　６２Ｎｌの濃縮が起こってい
ることが理解される。

実施例２ 第１図において、レーザ２４としてＫｒＦエキシマレー
ザを用い、波長として２４８ｎα（パルス幅１５ナノ秒
）を用い、照射レーザパワー密度を１０〜１０１０Ｗ／
ｃｒＡ２とし、容器１０の内圧を１０　’　〜１０−７
Ｔｏｒｒと真空排気しながら、ターゲット物質１００と
してＮｊを用いた実施例を表２に示した（Ｎｉ＋で測定
）。

表２ ていることが理解される。

実施例３ 第１図において、レーザ２４として Ｎｄ：ＹＡＧＱスイッチレーザを用い波長として第２高
調波５３２ｎｍ（パルス幅１０ｎ秒）を用い、照射レー
ザパワー密度を１０”〜１０１１Ｗ／ｃｍ＋２とし、容
器内圧を１０−５〜１０−７Ｔｏｒｒと真空排気しなが
らターゲット物質として炭素（Ｃ）を用いた実施例を表
３に示した（Ｃ＋で測定）。

表３ 本実施例により　Ｎｉ、　　　Ｎｉの濃縮が起こっ実施
例４ 第２図には本発明に係る分離装置の他の具体例が示され
、第１図と同一部材には同一符号を付して説明を省略す
る。

本実施例において特徴的なことは、前記分離回収部２８
が詳細に示されていることであり、この分離回収部２８
はイオントラップ電極３０．イオンと中性原子の分離用
電磁石３２、イオンコレクタ３４そして中性原子トラッ
プ３６を含む。前述したごとく、ターゲット物質１００
に高出力レーザＬＢが照射されると、ターゲット物質１
００からは高密度プラズマ２００が発生し、このプラズ
マ２００内において電子、イオン及び中性原子が相互に
複数回衝突を繰り返す。そして、このプラズマ２００内
には前記イオンと中性原子とが混合されており、第２図
の実施例においては、前記各部において分離回収が行わ
れる。

即ち、静電型イオントラップ電極３２には直流電界が与
えられており、この中をイオンｉ及び中性粒子ｎが通過
するときに、イオンｉに対してはその進行方向に偏位を
与え、一方中性粒子ｎに対しては何らの影響も与えない
。

実施例において、更に前記イオントラップ電極３０の後
段に分離電磁石３２が配置されており、この電磁石３２
で生じる磁界によって更にイオンｉには偏位が与えられ
る。

従って、イオンｉは前記トラップ３０と電磁石３２によ
ってその進行方向が規制され、イオンコレクタ３４に集
電される。イオンは高密度プラズマ２００中で電子、イ
オン中世原子同士互いの多数回衝突により、天然とは異
なる同位体比率を既に有しているため（同位体濃縮が実
現されているため）イオンと中性原子の分離のみでイオ
ンコレクタ３４上では同位体濃縮が行われていることと
なる。

また集電が必要な特定の同位体に対して定められた位置
にスリット３８を設けることで特定の同位体のみの分離
をも可能とする。

このようにしてイオンｉが分離された中性粒子、特に中
性原子は分離回収部２８をほぼ直進し、中性原子トラッ
プ３６にて捕捉される。

以上のようにして、本実施例によれば、前記イオンコレ
クタ３４にて特定の同位体が回収され、この結果同位体
濃縮が行われることが理解される。

本発明において、前記プラズマ２００の中ではそのイオ
ンｉの存在比率が天然での存在比率と異なり、このよう
にして同位体の分離回収による同位体濃縮が行″われる
こととなる。

実施例５ 第３図には更に本発明に係る同位体分離装置の更に他の
実施例が示されており、前述した各図と同一部材には同
一符号を付して説明を省略する。

この実施例において特徴的なことは、分離回収部２８が
本発明のレーザ照射によってターゲット物質１００から
生じた中性原子とターゲット物質１００から熱的に放出
された中性原子とを分離するために各中性原子の保有す
る速度成分の差を利用したものである。

すなわち、前述したごとく、本発明によれば、ターゲッ
ト物質１００に対して高出力レーザＬＢの照射により高
密度プラズマ２００が生じ、このとき、高密度プラズマ
２００内において、中性原子は一度イオン化されるが、
高密度プラズマ２０θ中に存在する高濃度の電子と再結
合して直ぐに中性化される。

一方、ターゲット物質１００からは熱的に中性原子も同
時に放出され、このような熱的に放出された中性原子は
本発明における分離回収に対してはノイズ成分を生じさ
せ、これを除去することが望ましい。

本実施例では、前記高密度プラズマ中の所望中性原子と
熱的な中性原子とがその保有する速度成分が異なるので
、この点に着目した分離作用を行うことができる。

すなわち、本実施例において、分離回収部２８は高速シ
ャッタ４０を有し、この高速シャッタ４０をレーザＬＢ
により誘起される高密度プラズマ２００の発生と同期さ
せてその開閉を制御し、この結果、高密度プラズマ２０
０中の特定の速度成分を有する同位体イオン及び同位体
中性原子のみを通過させる。従って、高速シャッタ４０
を通過した後のイオン及び中性原子は本発明において必
要な分離された同位体のみであり、これを詳細には説明
していないが、第２図の実施例などで示されたコレクタ
４２で回収することが可能となる。

本実施例において、高速シャッタ４０の前後にはアパー
チャを設置ｊることが可能であり、実施例によれば高速
シャッタ４０の前面にアパーチャ４４が設けられている
。

前述した実施例において、ターゲット物質は固体として
示されているが、本発明において、このようなターゲッ
ト物質は気体或いは液体を他の固体表面に吸着させて用
いることも可能であり、また勿論これらの気体、液体、
固体から成るターゲット物質は化合物とすることも可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る方法が適用された本発明装置の概
略説明図、 第２図は本発明における分離回収部が設＋−１られた実
施例装置の説明図、 第３図は本発明におりる更に他の分離回収装置が設けら
れた本発明装置の概略説明図である。 １０　　・・・ １２　　・・・ １４　　・・・ ２０　　・・・ ２４　　・・・ ２６　　・・・ ２８　　・・・ １００　　　・・・ ２００　　　・・・ Ｌ　Ｂ　　　・・・ 気密容器 真空ポンプ 圧力調整器 ターゲットホルダ レーザ源 光学系手段 分離回収部 ターゲット物質 高密度プラズマ レーザビーム 出願人　株式会社　豊田中央研究所 代理人　弁理士　吉１）研二　［８−７２１Ｘ施判４ 第２図 第　１　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）同位体分離ターゲット物質を減圧容器内に載置し
   、このターゲット物質に高出力レーザを照射し、ターゲ
   ット物質の少なくとも一部を高密度プラズマ化してこの
   プラズマ中に発生した電子、イオン、中性原子同志を互
   いに多数回衝突させることにより天然同位体比率と異な
   る人工的な比率で質量数の異なる同位体を分離させるこ
   とを特徴とする同位体分離方法。
2. （２）内圧を所定の減圧状態に保持する定圧保持手段を
   備えた気密容器と、該気密容器内に同位体分離ターゲッ
   ト物質を載置し気密容器内で該ターゲット物質から発生
   する高密度プラズマ中で電子、イオン、中性原子を互い
   に多数回衝突できるように気密容器内に設けられたター
   ゲットホルダと、高出力レーザ源と、該レーザを前記タ
   ーゲット物質に照射する光学系手段と、を含み、ターゲ
   ット物質から原子粒子を発生させ気密容器内で励起及び
   分離を行って質量数の異なる同位体を分離することを特
   徴とする同位体分離装置。
3. （３）内圧を所定の減圧状態に保持する定圧保持手段を
   備えた気密容器と、該気密容器内に同位体分離ターゲッ
   ト物質を載置し気密容器内で該ターゲット物質から発生
   する高密度プラズマ中で電子、イオン、中性原子を互い
   に多数回衝突できるように気密容器内に設けられたター
   ゲットホルダと、高出力レーザ源と、該レーザを前記タ
   ーゲット物質に照射する光学系手段と、気密容器内に設
   けられ前記プラズマ中のイオンと中性原子とを分離回収
   する分離回収部と、を含み、ターゲット物質から原子粒
   子を発生させ気密容器内で励起及び分離を行って天然同
   位元素と異なる人工的な比率で質量数の異なる同位体を
   分離回収することを特徴とする同位体分離装置。