JPH0286815A - 光吸収波長同調装置 - 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） この発明は原子レーザ法を利用した同位体分離装置に係
り、特に、レーザ光の波長を分離対象同位体原子の光共
鳴吸収波長に常時同調安定化させる光吸収波長同調装置
に関する。

（従来の技術） 原子レーザ法による同位体分離では、ガドリニウム（Ｇ
ｄ）やウラン（Ｕ）等の重金属同位体元素を分離対象と
し、この分離対象同位体原子に複数波長のレーザ光を照
射して２段階または３段階の多段階励起させて分離対像
同位体原子を選択的に電離させ、イオン化させる。分離
対象同位体原子を効率よく多段階励起させるためには、
レーザ光の波長を、分離対象同位体原子の各エネルギ単
位（例えば基底レベル、選択励起レベル、中間励起レベ
ル）で光共鳴励起がそれぞれ生じる各光共鳴励起波長に
常時正確にチューニングする必要がある。

このため、レーザ光の波長を分離対象同位体原子の光共
鳴励起波長に、光吸収波長同調装置によりできるだけ一
致させている。従来の光吸収波長同調装置は同位体分離
装置の光反応部に蛍光検出器やイオン検出器をそれぞれ
設置し、レーザ光波長を該当する光共鳴励起波長の近傍
で変化させ分離対象同位体原子の各励起レベルからの蛍
光量や光電離イオン量が最大となる波長にチューニング
して固定している。

（発明が解決しようとする課題） 従来の光吸収波長同調装置は、励起された分離対象同位
体原子からの蛍光量や光電離イオンけが最大となるよう
にレーザ光波長を光共鳴励起波長にチューニングしてい
るが、レーザ装置から発振されるレーザ光の波長・モー
ド・出力等の特性や金属蒸気２１ｍ（分離対象同位体原
子）の速痩や方向、蒸気間等の変動により、チューニン
グが外れたり、蛍光量や光電離イオン量が変動する。

しかしながら、従来の光吸収波長同調装置は、蛍光測定
系やイオン測定系を構成する蛍光検出器やイオン検出器
が１台ずつ設けられているため、蛍光量や光電離イオン
量が変動しても、レーザ特性が変化したのか、あるいは
蒸気特性が変化したのかを判定するのが困難であった。

このため、蛍光量や光電離イオンｍが変動した場合、レ
ーザ特性や蒸気特性のいずれが変化したのかを正確に測
定し、レーザ光波長を分離対象原子の光共鳴吸収波長に
常時同調させ、安定化させることが困難であった。

この発明は上述した事情を考慮してなされたもので、レ
ーザ光波長を分離対象同位体原子の光共鳴吸収波長に常
時同調させ、安定化させ得るようにした光吸収波長同調
装置を提供するにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この発明に係る光吸収波長同調装置は、金属蒸気発生装
置で生じた金属蒸気流が案内される光反応部に、レーザ
装置から発振された複数波長のレーザ光を照射し、前記
金属蒸気流から分離対象同位体原子を選択的に多段階励
起電離させるものにおいて、上記分離対象同位体原子の
励起レベルから出る蛍光〇や光電離イオン撤をモニタす
るため、前記光反応部のレーザ光進行方向の異なる位置
にそれぞれ配置された蛍光検出器およびイオン検出器と
、上記各検出器にて検出された検出信号を入力して比較
演算する比較演算装置と、前記光反応部に案内される金
属蒸気片をモニタする蒸気量測定器と、上記光反応部に
入射されるレーザ光の出力をモニタするレーザ出力計と
、前記比較演算結果および金属蒸気片、レーザ出力値を
それぞれ入力してレーザ光や金属蒸気の諸特性変化を判
定する制御判定装置とを有し、上記制御判定装置からの
判定結果をレーザ装置および金属蒸気発生装置にフィー
ドバックさせてレーザ装置および金属蒸気発生Ｈ置を調
節υ３１１０するものである。

（作用） この光吸収波長同調装置は、光反応部のレーザ光進行方
向の異なる複数位置に励起レベルからの蛍光量や光電離
イオン吊をモニタする蛍光検出器およびイオン検出器を
それぞれ配置する一方、光反応部に案内される金属蒸気
発生装置からの金属蒸気量をモニタする蒸気量測定器と
、光反応部に入射されるレーザ光のレーザ出力をモニタ
するレーザ出力計とをそれぞれ設置する。そして、複数
個の蛍光検出器やイオン検出器からの検出信号を比較演
算装置に入力させて比較演算し、その演算結果を１ＩＩ
ＪＩ１１判定装置に入力させる。この１ｉｌＪ　ｍ判定
装置には蒸気量測定器やレーザ出力計から金属蒸気量ヤ
レーザ出力値の信号が入力され、前記比較演算結果と蒸
気量およびレーザ出力値とからレーザ光や金属蒸気の諸
特性変化を判定し、レーザ装置や金属蒸気発生装置にフ
ィードバック信号を送る。レーザ装置や金属蒸気発生装
置はフィードバック信号を入力して調節ｉｔ、ＩＪ御さ
れ、レーザ装置からのレーザ光の波長が分離対象同位体
原子の光共鳴吸収波長となるように常時同調させ、安定
化させている。

（実施例） 以下、この発明に係る光吸収波長同調装置の一実施例に
ついて添付図面を参照して説明する。

第２図はこの発明の光吸収波長同調装置を備えた原子レ
ーザ法による同位体分離装置１０を示すものである。こ
の同位体金属材Ｗ１０は密閉された真空容器１１内の底
部に試料としての同位体金属材Ｆ１１２を加熱溶融させ
る金属蒸気発生装置１３が設置される。金属蒸気発生装
置１３は同位体金属材料１２を収容した蒸発用るつぼ１
４を備え、この蒸発用るつぼ１４の金属材料１２に電子
銃１５から発射された電子ビーム１６が、図示しない偏
向磁場により曲げられて照射される。同位体金属材料１
２は電子ビーム１６の照射により加熱溶融され、蒸発し
た金属蒸気流１７を発生させる。

この金Ｒ蒸気流１７はコリメータ１８により絞られて真
空容器１１内の光反応部２ｏに案内される。光反応部２
０には金属蒸気１１７のうち対象同位体原子を分離回収
する製品回収電極２１が設けられ、この製品回収電極２
１にて回収される。

回収されない同位体原子は素通りしてその上方の廃品回
収板２２により回収される。

一方、製品皿収電ＭＡ２１は複数枚のプレート状ｌｉｉ
電極２３．２３・　！：陰電ｗＡ２４．２４−、！：が
、金属蒸気流の流れ方向に平行に、かつ所要間隔をおい
て交互に対向配設される。光反応部２０は各陽電極２３
と陰電極２４との間に形成され、この光反応部２０には
金属蒸気流１７の流れに直角方向にレーザ装置２５から
複数波長のレーザ光２６が照射されるようになっている
。このレーザ光２６は、第３図および第４図に示すよう
に選択励起用レーザ光２６ａ、中間励起用レーザ光２６
ｂおよび電離用レーザ光２６ｃ、２６ｄを適宜合成した
もので、光反応ｆｆ１２０で上記レーザ光２６を照射す
ることにより金属蒸気流から分離対象同位体原子が２段
階または３段階に多段階励起により電離される。

しかして、金属蒸気発生装置常３にて加熱溶融され、蒸
発化した金属蒸気流１７は光反応部２０にて特定波長の
選択励起用レーザ光２６ａの照射を受け、金属蒸気流１
７に含まれる分離対重同位体原子は基底レベルＡ。から
選択励起レベルＡ１に選択的に励起される。この選択励
起レベルＡ１に励起された分離対象同位体原子は続いて
中間励起レーザ光２６ｂの照射を受けで中間励起レベル
Ａ２に励起される。

次に、中間レベルＡ２に選択的に励起された分離対象同
位体原子に電離用レーザ光２６ｃを照射して光共鳴励起
反応を生じさせ、第３図に示すようにイオン化ボテンシ
１？ルＥよりエネルギレベルが高い自動電離レベルＦに
共鳴的に励起させ、電離対象同位体原子をイオン化させ
るか、あるいは、選択励起レベルＡ１に励起された分離
対象同位体原子に電離用レーザ光２６ｄを照射して自動
電離レベルＦに共鳴的に励起させ、イオン化してもよい
。第３図は自？ＪＩ　Ｉ離方法によるイオン化の場合で
あるが、連続体分画方法により電離させてもよい。

また、中周励起レベル△２に選択的に励起された分離対
象同位体原子に第４図に示すように、電離用レーザ光２
６ｃ′を照射して光・共鳴吸収反応を生じさせ、イオン
化ポテンシャルＥより下の共鳴レベルである特定の＾リ
ドペリレベルＧに励起させるか、選択励起レベルＡ１に
励起された分離対象同位体原子に電離用レーザ光２６ｄ
′を照射して光共鳴励起反応を生じさせて特定のｎリド
ペリレベルＧに励起させる。

＾リドペリレベルＧに励起された分離対象同位体原子に
、パルス電場あるいは直流電場を印加させたり、赤外線
を照射することにより、分離対象同位体原子は強い電離
作用を受けてイオン化される。第４図はリドベリレベル
電離方法によるイオン化の場合を示している。

このように、光反応部２０に複数波長のレーザ光２６を
照射することにより、金属蒸気流１７に含まれる分離対
象同位体原子（分子を含む。）を選択的に２段階または
３段階の多段ｌ！！ｉ励起を行なって、分離対象同位体
原子を電離させ、イオン化させることができる。

ところで、分離対像同位体原子を効率よく電離させ、イ
オン化させるためには、レーザ装置２５からの複数のレ
ーザ光波長を分離対象同位体原子の光共鳴波長にチュー
ニングしなければならず、このチューニングが第１図に
示ず光吸収波長開講ｗ装置３０により行なわれる。

光吸収波長同ｖＡ装置３０は、レーザ光の波長を分離対
象同位体原子（または分子）の光共鳴吸収波長に常時開
講させ、安定化させるｖｔＨであり、光反応部２０にレ
ーザ光の進行方向に異なる複数位置′、例えば３箇所に
、励起レベルからの蛍光量や光電離イオン量をモニタす
る蛍光検出器３１８〜３１ｃやイオン検出１３２ａ、３
２Ｃがそれぞれ配置される。各蛍光検出器３１ａ〜３１
ｃから検出された蛍光量の検出信号は比較演算装置３３
に入力され、この比較演算装置３３で各蛍光検出器３１
ａ〜３１Ｃからの蛍光１が比較演算される。

またイオン検出器３２ａ〜３２Ｃで検出された光電離イ
オン量も同様にして比較演算装置３４に入力されて比較
演算される。各比較演粋装Ｍ３３゜３４からの比較演算
結果はυ１１Ｍ１判定装置３５に入力される。

一方、光反応部２０に案内される金属蒸気量は、光反応
部２０の例えば上方に設置された蒸気量測定器３６にて
モニタされ、上記光反応部２ｏのレーザ光入射側にレー
ザ出力計３７が設置される。

このレーザ出力計３７には光反応部２０に入射されるレ
ーザ光２６の一部がハーフミラ−３８を介して入力され
、このレーザ出力計３７でレーザ装置２５からのレーザ
出力をモニタしている。前記蒸気量測定器３６やレーザ
出力計３７にてモニタされた金属蒸気量やレーザ出力値
はυ制御判定装置３５に入力される。

制御判定装Ｍ３５は比較演算装置３３．３４から入力さ
れる比較ｌＩＩ算結果と金属蒸気量やレーザ出力値を演
諦し、レーザ光や金属蒸気の緒特性の変化を判定し、そ
の判定結果をフィードバック信号としてレーザ装置２５
や金属蒸気発生装置１３に送り、このレーザ装置２５や
金属蒸気発生装置１３の作動を調節＆１Ｊｔｌｌ、レー
ザ光波長を光共鳴励起波長に常時チューニングしている
。

レーザ装置２５はレーザ光の波長やモード・出力等の特
性により、また、金属蒸気の速度や方向、蒸気量等の変
動により、チューニングが外れたり、蛍光石やイオン色
が変動する。

一般的には、光共鳴励起レーザ光の波数をνとすると、
次式が成立する。

シーシロ　　（１−−Ｃ（）Ｓθ）・・・・・・（１）
但し、 ：原子の光共鳴励起波数、 二金属蒸気原子の速度、 二金属蒸気原子の飛行方向とレーザ 光との間の角度、 Ｃ：尤の速度、 である。

この（１）式から、光共鳴励起レーザ光の波数νが変化
しても、金属蒸気原子の速度Ｖや角度θが変化してもチ
ューニングが外れることになる。

次に、分離対像同位体原子をｒａｍ化のために２段階励
起により、′Ｆｉ離させる場合を例にとって説明する。

分離対象同位体原子の励起レベルからの蛍光量をＥ１光
電離イオン社を！、光反応部の蒸気原子密度をＮ１選択
励起用および電離用シーず光の強度をり、Ｌ２、各レー
ザ光の波数をシ４．シ２とそれぞれすると、次式が成立
する。

ＦヴＮ−ｆ　　　（Ｌ　　、　　ν　　）　　　・・自
・・（２）１”Ｎ・ｆｌ（１１，ν、）−ｆ’２（Ｌ２
．　ν２）・・・・・・（３） ここで、ｆ（Ｌ、νｉ）、ｆ２（Ｌ２゜ν２）は、Ｌｌ
、ν１およびし２．ν２の各関数である。

上記（２）式から蛍光ｍＦはＮ、Ｌ４．ν１のいずれか
が変化すると変化し、また、イオンＩｔはＮ、Ｌ、、シ
、、Ｌ、）、ν２のいずれかの変化により変化する。

この場合、従来の光吸取波長同調装置のように、蛍光測
定系やイオン測定系が１つずつ存在するものでは、蛍光
ＩＦやイオンｆｆ１ｌの変化から、レーザ特性Ｌ　、ν
　、し　、ν２が変化したのか、金属蒸気の特性Ｎ、Ｖ
、θが変化したのが判定が困難であった。

これに対し、第１図に示す光吸収波長同調装置３０では
、蛍光検出器（蛍光測定系）３１ａ〜３１Ｃおよびイオ
ン検出器（イオン測定系）３２ａ〜３２ｃをそれぞれ複
数個、例えば３個ずつ設けたので、励起レベルから放出
される蛍光石や光電離イオン社、金属蒸気原子の蒸気量
やレーザ出力の変動をモニタし、それらの信号変化から
金属蒸気やレーザの諸特性の変化を自動釣に判定するこ
とができ、判定結果をレーザ装置２５や金属蒸気発生装
置１３に常時フィードバックさせて、レーザ光の波長を
光共鳴吸収波長へ常時同調・安定化させることができる
。

例えば、光反応部２０に配置された蛍光検出器３１ａ〜
３１Ｃやイオン検出器３２ａ〜３２ｃのうち、レーザ光
進行方向前方の各検出器３１ｃ。

３２ｃの蛍光石やイオン量が同時に減少し、後方の各検
出器３１ａ、３２ａの蛍光伝やイオン量が同時に増加し
ても、蒸気量やレーザ出力に変化がない場合には、選択
励起用レーザ光２６ａの波数が短波数便にシフトしたた
めと判定する。この判定結果はレーザ装置２５にフィー
ドバックしてレージ光進行方向前後方両側の各検出器３
１ａ、３１ｃ：３２ａ、３２ｃの信＠量がバランスする
ように調整する。

また、レーザ光進行方向前方のイオン検出器３２Ｃのイ
オン母のみが減少して、後方のイオン検出器３２ａのイ
オン出が増加し、蛍光石や蒸気量、レーザ出力に変化が
ない場合には、電離用レーザ光の波数が短波数便にシフ
トしたためと判定する。

そして、その判定結果をレーザ装置２５にフィードバッ
クして前後のイオン検出器３２ａ、３２ｃの信号分が等
しくなるまで電離用レーザ光の波数を増加させる。

さらに、中央や前後両側の各検出器３１ｂ、３２ｂ：３
１ｃ、３２ｃ：３１ａ、３２ａの蛍光Ｍやイオン量が同
時に減少した場合において、例えば蒸気量は変化せず、
レーザ出力が減少したときには、レーザ出力を増加させ
て復帰させる。また、この場合において、蒸気量が減少
し、レーザ出力が一定のときには、金属蒸気発生装置１
３に判定結果をフィードバックさせて金属蒸気発生量を
増加させ、蒸気量を復帰させる。

〔発明の効果〕

以上に述べたようにこの発明に係る光吸収波長同調装置
においては、光反応部のレーザ光進行方向の異なる複数
位置に蛍光検出器およびイオン検出器をそれぞれ配置し
て励起レベルから放出される蛍光石やイオン量をそれぞ
れ複数箇所で測定するとともに、光反応部に案内される
金属蒸気間を蒸気量測定器で、また光反応部に入射され
るレーザ光の出力をレーザ出力系にてそれぞれモニタし
、これらの信号を処理してレーザ光や金属蒸気の諸特性
をυＪａｌ１判定装置にて判定し、その判定信号をフィ
ードバックさせてレーザ装置や金属蒸気発生装置の作動
を調節１ＩＩＩ　ｉｌｌ　したので、レーザ光の波長を
分離対象同位体原子の光共鳴吸収波長に常時同調させ、
安定化させることができ、長時間安定した運転を保証す
ることができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る光吸収波長同調装置の一実施例
を示す図、第２図は上記光吸収波長同調装置を備えた同
位体分離装置を承り図、第３図は自動電離方法による多
段階励起の一例を示すエネルギ単位図、第４図はリドベ
リレベル電離方法による多段階励起の一例を示すエネル
ギ準位図である。 １０・・・同位体分離装置、１１・・・真空容器、１２
・・・同位体金属材料、１３・・・金属蒸気発生装置、
１４・・・蒸発用るつぼ、１７・・・金属蒸気流、２０
・・・光反応部、２１・・・製品回収電極、２２・・・
廃品回収板、２３・・・陽電極、２４・・・陰電極、２
５・・・レーザ装置、２６・・・レーザ光、２６ａ・・
・選択励起用レーザ光、２６ｂ・・・中間励起用レーザ
光、２６ｃ、２６Ｇ’　、２６ｄ、２６ｄ’　・・・電
離用レーザ光、３０・・・光吸収波長同調装置、３１ａ
〜３１Ｇ・・・蛍光検出器、３２ａ〜３２ｃ・・・イオ
ン検出器、３３゜３４・・・比較演算装置、３５・・・
ｕＪ　ｍ判定装置、３６・・・蒸気ｍ８１定装置、３７
・・・レーザ出力計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属蒸気発生装置で生じた金属蒸気流が案内される光反
   応部に、レーザ装置から発振された複数波長のレーザ光
   を照射し、前記金属蒸気流から分離対象同位体原子を選
   択的に多段階励起電離させるものにおいて、上記分離対
   象同位体原子の励起レベルから出る蛍光量や光電離イオ
   ン量をモニタするため、前記光反応部のレーザ光進行方
   向の異なる位置にそれぞれ配置された蛍光検出器および
   イオン検出器と、上記各検出器にて検出された検出信号
   を入力して比較演算する比較演算装置と、前記光反応部
   に案内される金属蒸気量をモニタする蒸気量測定器と、
   上記光反応部に入射されるレーザ光の出力をモニタする
   レーザ出力計と、前記比較演算結果および金属蒸気量、
   レーザ出力値をそれぞれ入力してレーザ光や金属蒸気の
   諸特性変化を判定する制御判定装置とを有し、上記制御
   判定装置からの判定結果をレーザ装置および金属蒸気発
   生装置にフィードバックさせてレーザ装置および金属蒸
   気発生装置を調節制御したこことを特徴とする光吸収波
   長同調装置。