JPH0314491B2 - - Google Patents
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- JPH0314491B2 JPH0314491B2 JP24289883A JP24289883A JPH0314491B2 JP H0314491 B2 JPH0314491 B2 JP H0314491B2 JP 24289883 A JP24289883 A JP 24289883A JP 24289883 A JP24289883 A JP 24289883A JP H0314491 B2 JPH0314491 B2 JP H0314491B2
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Description
本発明は、レーザーによる炭素13の濃縮法に関
し、詳しくは赤外多光子解離を用いたレーザー同
位体分離による炭素13の濃縮法に関する。
近年レーザー技術に関する進歩は目覚ましく、
広い波長領域で強力な出力の光を発振するレーザ
ーが開発されている。これらのレーザーを光化学
反応に利用しようという研究も非常に活発で、文
字通り日進月歩の発展をみせている。レーザー光
の持つ特徴は第一に優れた単色性を示すという点
であり、第二は極端に高いフルエンスの光が得ら
れるという点である。従来、これらの特徴を利用
して種々の同位体分離が試みられている。例え
ば、第一の特徴を利用して水素からウランに至る
種々の元素の同位体分離が試みられている。すな
わち同位体化合物の吸収スペクトルには一般に多
少の同位体シフトがみられるが、適切な波長のレ
ーザー光を照射すると、特定の同位体化合物が選
択的にその光を吸収して励起される。また第二の
特徴であるレーザー光のフルエンスが高い点を利
用すると、同一分子に多数のレーザー光子を吸収
させて分解を誘起させることができる。ところ
で、赤外多光子解離を用いた同位体分離ではレー
ザー光の特徴に基づき、同位体シフトの大きい赤
外領域で強力なレーザー光の照射により特定の同
位体化合物を多光子励起してこれを解離させ、そ
の同位体を分離することができる。
本発明はこの赤外多光子解離を用いたレーザー
同位体分離により、同位体化合物の炭素13を高濃
度に濃縮する方法を提供することを目的とする。
この目的は前記特許請求の範囲に記載された本
発明の構成によつて達成されるが、以下、本発明
を詳しく説明する。
先ず、第一の発明について説明する。
12CF3 12CF3すなわち2個の炭素12の同位体か
らなるヘキサフルオロエタンC2F6は1117cm-1に
CF結合の伸縮振動に対応する強い吸収をもち、
その吸収の裾が炭酸ガスレーザーの発振領域
(900〜1100cm-1)にまで及んでいる。
13CF3 12CF3の吸収は 12CF3 12CF3の吸収より
も低波数側に存在し、炭酸ガスレーザーの光を選
択的に吸収すると考えられる。従つて天然同位体
濃度のC2F6(炭素13の存在比は1.1%)に炭酸ガス
レーザーのパルス光を照射すると、いわゆる赤外
多光子吸収を経て 13CF3 12CF3が選択的に励起さ
れ分解を引き起こす。
13CF3 12CF3+nhν→ 13CF3+ 12CF3
こゝであらかじめC2F6にCl2、Br2またはI2など
のハロゲン分子を加えておくと、以下の反応の結
果CF3Cl、CF3BrあるいはCF3Iが生成する。
13CF3 12CF3+X2+nhν
→ 13CF3X+ 12CF3X
こゝでX2はCl2、Br2あるいはI2を表わす。生成
物CF3Xには多光子吸収の過程での選択性を反映
して 13CF3が濃縮されることになる。
例えば天然同位体濃度のC2F6にBr2を加えた混
合気体に炭酸ガスレーザーのパルス光をBaF2レ
ンズで焦光して照射すると、炭素13が濃縮された
CF3Brが生成する。炭酸ガスレーザーの9.6μmバ
ンドのR(30)ラインを用いると、濃縮係数βは
10程度に達する。こゝで濃縮係数βは以下の様に
定義されている。
β=生成物CF3Br中の12Cに対する13Cの割合/天
然同位体濃度のCF3Br中の12Cに対する13Cの割合
天然同位体濃度のCF3Br中の 13Cの濃度は1.1
%である。低温でレーザー照射の実験も行なつた
ところ、この場合βが大幅に増大し17に達した。
次に、第二の発明について説明すると以下の通
りである。CF3Cl、CF3BrおよびCF3Iは以前より
炭酸ガスレーザーを用いた赤外多光子解離による
炭素13の濃縮・分離における作業物質として注目
を集めている。これらの化合物の赤外多光子解離
はつぎのように進行し、炭素13は生成物C2F6中
に濃縮される。
CF3X+nhν→1/2C2F6+1/2X2
本発明者等はこの化合物を室温、−78℃および
−110℃で照射したところ炭素13が高濃度に濃縮
されることを確認した。一例を挙げると−110℃
での濃縮係数βは400にも達する。ここでβが400
とはC2F6中の 13Cの濃度が約80%であることを
意味する。
トレーサーとして利用される炭素化合物中の炭
素13の濃度は高いことが望ましい。仮に95%にま
で濃縮するとすれば、一回のレーザー照射だけで
は不十分である。そこでC2F6を出発物質とする
以下の様なサイクルが炭素13の高濃度濃縮に有効
かつ適切な方法になる。
The present invention relates to a method for concentrating carbon-13 using a laser, and more particularly to a method for concentrating carbon-13 by laser isotope separation using infrared multiphoton dissociation. In recent years, advances in laser technology have been remarkable.
Lasers that emit powerful light over a wide wavelength range have been developed. Research into using these lasers for photochemical reactions is also very active, and progress is literally being made every day. The first characteristic of laser light is that it exhibits excellent monochromaticity, and the second is that extremely high fluence of light can be obtained. Conventionally, various isotope separations have been attempted using these characteristics. For example, attempts have been made to utilize the first characteristic to separate isotopes of various elements ranging from hydrogen to uranium. That is, although some isotopic shifts are generally observed in the absorption spectra of isotopic compounds, when irradiated with laser light of an appropriate wavelength, specific isotopic compounds selectively absorb the light and are excited. Furthermore, by utilizing the second feature, which is the high fluence of laser light, it is possible to cause the same molecule to absorb many laser photons and induce decomposition. By the way, in isotope separation using infrared multiphoton dissociation, based on the characteristics of laser light, a specific isotopic compound is excited by multiple photons by irradiation with strong laser light in the infrared region where the isotope shift is large. It can be dissociated and its isotopes separated. An object of the present invention is to provide a method for concentrating carbon-13 in an isotope compound to a high concentration by laser isotope separation using infrared multiphoton dissociation. This object is achieved by the configuration of the present invention as set forth in the claims, which will be described in detail below. First, the first invention will be explained. 12 CF 3 12 CF 3 or hexafluoroethane C 2 F 6 consisting of two carbon-12 isotopes is 1117 cm -1
It has strong absorption corresponding to the stretching vibration of CF bond,
The tail of this absorption extends to the oscillation region of carbon dioxide laser (900 to 1100 cm -1 ). The absorption of 13 CF 3 12 CF 3 exists on the lower wavenumber side than the absorption of 12 CF 3 12 CF 3 , and is thought to selectively absorb the light of the carbon dioxide laser. Therefore, when the natural isotope concentration of C 2 F 6 (abundance ratio of carbon 13 is 1.1%) is irradiated with pulsed light from a carbon dioxide laser, 13 CF 3 12 CF 3 is selectively absorbed through so-called infrared multiphoton absorption. Excited and causes decomposition. 13 CF 3 12 CF 3 +nhν→ 13 CF 3 + 12 CF If a halogen molecule such as Cl 2 , Br 2 or I 2 is added to C 2 F 6 in advance, the following reaction results in CF 3 Cl , CF 3 Br or CF 3 I is generated. 13 CF 3 12 CF 3 +X 2 +nhν → 13 CF 3 X+ 12 CF 3 X Here, X 2 represents Cl 2 , Br 2 or I 2 . 13 CF 3 is concentrated in the product CF 3 X, reflecting the selectivity in the multiphoton absorption process. For example, when a mixture of natural isotope-concentrated C 2 F 6 and Br 2 is irradiated with pulsed light from a carbon dioxide laser, focused with a BaF 2 lens, carbon-13 becomes concentrated.
CF 3 Br is produced. Using the R(30) line of the 9.6 μm band of the carbon dioxide laser, the concentration factor β is
It reaches about 10. Here, the enrichment coefficient β is defined as follows. β = ratio of 13 C to 12 C in the product CF 3 Br / ratio of 13 C to 12 C in the natural isotope concentration CF 3 Br The concentration of 13 C in the natural isotope concentration CF 3 Br is 1.1
%. We also conducted experiments with laser irradiation at low temperatures, and in this case β increased significantly, reaching 17. Next, the second invention will be explained as follows. CF 3 Cl, CF 3 Br, and CF 3 I have long been attracting attention as working substances in the concentration and separation of carbon-13 by infrared multiphoton dissociation using a carbon dioxide laser. Infrared multiphoton dissociation of these compounds proceeds as follows, and carbon-13 is concentrated in the product C2F6 . CF 3 _ _ An example is -110℃
The concentration factor β reaches as high as 400. Here β is 400
means that the concentration of 13 C in C 2 F 6 is about 80%. It is desirable that the carbon-13 concentration in the carbon compound used as a tracer is high. If we were to concentrate it to 95%, a single laser irradiation would not be enough. Therefore, the following cycle using C 2 F 6 as a starting material is an effective and appropriate method for concentrating carbon-13 at a high concentration.
【表】
すなわちC2F6とX2の混合気体を適切な条件で
レーザー照射し、10倍あるいはそれ以上炭素13の
濃度が高くなつたCF3Xを製造し、このCF3Xを
適切な分離法たとえばガスクロマトグラフイーあ
るいは低温蒸留法で分離したのちレーザー照射し
て、 13Cが高度に濃縮されたC2F6を製造する。
もし非常に高い濃度の炭素13を必要とする場合は
再びこのサイクルに従つてレーザー照射と生成物
の分離を行なえばよい。なお、生成物中の 13Cが
50%以上濃縮された時には、レーザーパルスの波
数を適切に変えて、炭素12を含むCF3Xを選択的
に解離することも有利である。C2F6とBr2の混合
気体の赤外多光子解離ではβ=10で炭素13が濃縮
されたCF3Brが生成する。このCF3Brを更に低温
で赤外多光子解離すると、仮にβ=200で炭素13
が濃縮される場合には、生成物のC2F6中の炭素
13の濃度は95%に達する。
実施例
本発明に使用した装置の概略を第1図に示す。
適切な波数の炭酸ガスレーザー1のパルス光2を
BaF2レンズ3で焦光し、恒温槽4中に設置した
反応容器5内のC2F6とBr2の混合気体である試料
気体6に照射する。恒温槽の温度は室温より−
150℃程度まで可変できる。なお、図中7は温度
センサ、8は絞り、9はKBr窓板をそれぞれ示
す。
照射後、反応生成物をガスクロマトグラフで分
離し、直ちにマススペクトロメーターに導入して
炭素13の存在比を決定した。
2.0Torrの天然同位体濃度のC2F6と5.0Torrの
Br2との混合気体の赤外吸収スペクトルを第2a
図に示す。1117cm-1に極大を示す吸収は主として
12CF3 12CF3に原因する。この混合気体に炭酸ガ
スレーザーの9.6μm帯のR(30)、すなわち1085cm
-1のパルス光を照射した後測定された赤外吸収ス
ペクトルを第2b図に示す。パルスエネルギーは
0.1J/pulse、使用したレンズ3の焦点距離は20
cmである。スペクトル中の1080および1200cm-1の
吸収はCF3Brに対応し、これが生成物であること
が確認された。他方、ガスクロマトグラフによる
分析でもCF3Brの生成が確認された。
2.0TorrのC2F6と5.0TorrのBr2の混合気体を炭
酸ガスレーザーのパルス光で照射した場合に観測
された生成物CF3Brに関する炭素13の濃縮係数β
とレーザー光の波数との関係を第3図に示す。各
波数でのレーザーパルスのエネルギーは約0.1J/
pulseに調節し、焦点距離20cmのレンズを使用し
た。照射温度は室温であるが、一部低温での結果
を加えた。βは高波数に移行するに従つて増大す
る。
上述の結果よりC2F6とBr2の混合気体の赤外多
光子解離で炭素13が濃縮されたCF3Brの生成する
ことは明らかである。つぎにCF3Brの赤外多光子
解離における生成物C2F6に関するβとCF3Brの
圧力および照射温度の関係を第4図に示す。レー
ザーパルスの波数は1045-1cm-1、パルスエネルギ
ーは0.3J/pulseに調整した。CF3Brの赤外多光
子解離では炭素13が著しく濃縮され、C2F6とBr2
の混合気体の赤外多光子解離と組み合わせると高
濃度の炭素13を含むC2F6を製造できることが理
解される。また、低温下での赤外多光子解離ほど
濃縮係数βが高くなり、高濃度の炭素13が濃縮さ
れることが理解される。[Table] In other words, a gas mixture of C 2 F 6 and X 2 is irradiated with laser under appropriate conditions to produce CF 3 After separation using a separation method such as gas chromatography or low-temperature distillation, laser irradiation is performed to produce C 2 F 6 in which 13 C is highly concentrated.
If a very high concentration of carbon-13 is required, laser irradiation and product separation may be performed again according to this cycle. Note that 13 C in the product is
When concentrated by 50% or more, it is also advantageous to selectively dissociate carbon-12-containing CF 3 X by appropriately changing the wave number of the laser pulse. Infrared multiphoton dissociation of a gas mixture of C 2 F 6 and Br 2 produces CF 3 Br enriched in carbon-13 with β=10. If this CF 3 Br is subjected to infrared multiphoton dissociation at an even lower temperature, if β = 200, carbon 13
When is concentrated, the carbon in the product C 2 F 6
The concentration of 13 reaches 95%. EXAMPLE FIG. 1 shows an outline of the apparatus used in the present invention.
Pulse light 2 of carbon dioxide laser 1 with appropriate wave number
The light is focused by a BaF 2 lens 3 and irradiated onto a sample gas 6 which is a mixed gas of C 2 F 6 and Br 2 in a reaction vessel 5 placed in a constant temperature bath 4 . The temperature of the constant temperature bath is −
Can be varied up to about 150℃. In the figure, 7 is a temperature sensor, 8 is an aperture, and 9 is a KBr window plate. After irradiation, the reaction product was separated by gas chromatography and immediately introduced into a mass spectrometer to determine the abundance ratio of carbon-13. C 2 F 6 with a natural isotope concentration of 2.0 Torr and 5.0 Torr
The infrared absorption spectrum of the gas mixture with Br 2 is shown in Part 2a.
As shown in the figure. The absorption that shows a maximum at 1117 cm -1 is mainly due to
12 CF 3 Caused by 12 CF 3 . The carbon dioxide laser's R(30) in the 9.6 μm band, that is, 1085 cm, is applied to this gas mixture.
The infrared absorption spectrum measured after irradiation with -1 pulsed light is shown in Figure 2b. The pulse energy is
0.1J/pulse, focal length of lens 3 used is 20
cm. The absorptions at 1080 and 1200 cm -1 in the spectrum corresponded to CF 3 Br, which was confirmed to be the product. On the other hand, the production of CF 3 Br was also confirmed by gas chromatography analysis. Concentration factor β of carbon-13 for the product CF 3 Br observed when a gas mixture of 2.0 Torr C 2 F 6 and 5.0 Torr Br 2 is irradiated with pulsed light from a carbon dioxide laser
Figure 3 shows the relationship between the wave number of the laser beam and the wave number of the laser beam. The energy of the laser pulse at each wavenumber is approximately 0.1J/
I adjusted it to pulse and used a lens with a focal length of 20cm. The irradiation temperature was room temperature, but some results at lower temperatures were also included. β increases as the wavenumber increases. From the above results, it is clear that CF 3 Br enriched in carbon-13 is generated by infrared multiphoton dissociation of a mixed gas of C 2 F 6 and Br 2 . Next, FIG. 4 shows the relationship between β for the product C 2 F 6 in infrared multiphoton dissociation of CF 3 Br, the pressure of CF 3 Br, and the irradiation temperature. The wave number of the laser pulse was adjusted to 1045 -1 cm -1 and the pulse energy was adjusted to 0.3 J/pulse. Infrared multiphoton dissociation of CF 3 Br significantly enriches carbon-13, resulting in C 2 F 6 and Br 2
It is understood that C 2 F 6 containing a high concentration of carbon-13 can be produced by combining it with infrared multiphoton dissociation of a gas mixture of It is also understood that the higher the infrared multiphoton dissociation is at a lower temperature, the higher the concentration coefficient β becomes, and the higher the concentration of carbon-13 is concentrated.
第1図は本発明の実施例に用いた濃縮装置の概
略図、第2a図及び第2b図は本発明の実施例で
得られたC2F6−Br2系のレーザー照射前後におけ
る赤外吸収スペクトルを示す。第3図は本発明の
実施例で得られたC2F6−Br2系における濃縮係数
βの波数依存性を示すグラフ、第4図は本発明の
実施例で得られたCF3Brにおける濃縮係数βと圧
力および照射温度の関係を示すグラフ。
図中の符号、1……炭酸ガスレーザー、2……
レーザー光、4……恒温槽、5……反応容器、6
……試料気体。
Figure 1 is a schematic diagram of the concentrator used in the example of the present invention, and Figures 2a and 2b show the infrared rays of the C 2 F 6 -Br 2 system obtained in the example of the present invention before and after laser irradiation. The absorption spectrum is shown. FIG. 3 is a graph showing the wave number dependence of the enrichment coefficient β in the C 2 F 6 -Br 2 system obtained in the example of the present invention, and FIG . Graph showing the relationship between concentration coefficient β, pressure, and irradiation temperature. Codes in the diagram: 1... Carbon dioxide laser, 2...
Laser light, 4... Constant temperature bath, 5... Reaction container, 6
...Sample gas.
Claims (1)
X2との混合気体を炭酸ガスレーザーで照射して
炭素13を濃縮することを特徴とする炭素13の濃縮
方法。 2 前記のハロゲン分子X2が、Cl2、Br2、I2であ
る特許請求の範囲第1項に記載の炭素13の濃縮方
法。 3 ヘキサフルオロエタンC2F6とハロゲン分子
X2との混合気体を炭酸ガスレーザーで照射して
炭素13が濃縮されたハロゲン化メタンCF3Xを製
造し、次にそのハロゲン化メタンを炭酸ガスレー
ザーで照射して、炭素13が高濃度に濃縮されたヘ
キサフルオロエタンを製造することを特徴とする
炭素13のサイクル的濃縮方法。 4 前記のハロゲン分子X2が、Cl2、Br2、I2であ
る特許請求の範囲第3項に記載の炭素13の濃縮方
法。[Claims] 1 Hexafluoroethane C 2 F 6 and halogen molecule
A method for concentrating carbon-13, which comprises concentrating carbon-13 by irradiating a gas mixture with X2 with a carbon dioxide laser. 2. The method for concentrating carbon-13 according to claim 1, wherein the halogen molecule X 2 is Cl 2 , Br 2 , or I 2 . 3 Hexafluoroethane C 2 F 6 and halogen molecules
A gas mixture with X 2 is irradiated with a carbon dioxide laser to produce halogenated methane CF 3 A method for cyclic enrichment of carbon-13, characterized in that it produces hexafluoroethane enriched in 4. The method for concentrating carbon-13 according to claim 3, wherein the halogen molecule X 2 is Cl 2 , Br 2 or I 2 .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24289883A JPS60132629A (en) | 1983-12-21 | 1983-12-21 | Concentration of carbon 13 by laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24289883A JPS60132629A (en) | 1983-12-21 | 1983-12-21 | Concentration of carbon 13 by laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60132629A JPS60132629A (en) | 1985-07-15 |
| JPH0314491B2 true JPH0314491B2 (en) | 1991-02-26 |
Family
ID=17095856
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24289883A Granted JPS60132629A (en) | 1983-12-21 | 1983-12-21 | Concentration of carbon 13 by laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60132629A (en) |
Families Citing this family (4)
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| US5085748A (en) * | 1989-01-24 | 1992-02-04 | Nippon Steel Chemical Co., Ltd. | Process for enriching carbon 13 |
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| JP4953274B2 (en) * | 2006-01-06 | 2012-06-13 | 独立行政法人日本原子力研究開発機構 | Isotope separation method using molecular rotation period difference |
-
1983
- 1983-12-21 JP JP24289883A patent/JPS60132629A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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