JPH04317722A - 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】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、超微細構造を有する同
位体原子を、パルスレーザ光を用いた選択的電離により
分離回収する同位体分離装置に係り、特に超微細構造ラ
インの分布拡がりの大小に依存せず、効率よくレーザ光
を狙った共鳴吸収ラインに同調でき、またイオン回収効
率を高めることができる同位体分離装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】同位体分離の分野において、原子レーザ
法を利用した金属同位体分離方法は、ガス拡散法や遠心
分離法等と比較すると同位体分離効率が非常に高く、優
れている。このため、原子レーザ法の同位体分離方法は
、特定の同位体を所定濃度のレベルに濃縮させるのに、
何回も同じ分離操作をカスケード方式で繰り返す必要が
なく、注目されている。

【０００４】原子レーザ法による同位体分離プロセスは
、同位体分離用金属原料を供給する金属原料供給工程と
、供給された金属原料を加熱・溶解し、金属蒸気を生じ
させる金属蒸気生成工程と、この金属蒸気から特定の同
位体を選択的に励起させる選択励起工程と、選択励起さ
れた特定同位体の金属原子を光電離（イオン化）させ、
イオン化同位体を回収する分離回収工程とに大別される
。

【０００５】一方、同位体分離の対象となる金属原子を
レーザにより励起させる際、この励起に同位体シフトが
認められる。このため、同位体分離プロセスにおいては
、特定の同位体のエネルギ準位に合せて選択励起用レー
ザ光を照射して特定同位体だけを励起させ、多段階励起
の場合であればさらに別の電離用レーザ光を照射して励
起された特定同位体のエネルギ準位をさらに高め、特定
同位体だけをイオン化させている。

【０００６】また、同位体には偶数核同位体と奇数核同
位体とがあり、偶数核同位体の核スピンがゼロであるの
に対し、奇数核同位体は、核スピンを有するために、遷
移の光吸収スペクトル線が複数本に分裂し、超微細構造
をもつものがある。特定同位体が超微細構造をもち、そ
の主要遷移による励起スペクトル幅が広い場合、特定同
位体をレーザ光照射により選択的に全て励起させるには
、広い励起スペクトル幅をカバーするように、レーザ光
の線幅（波長幅）を広くしたり、マルチモードのレーザ
光を使ったりする必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】超微細構造をもつ金属
原子を励起するのに、線幅の広いレーザ光あるいはマル
チモードのレーザ光を用いるには、各波長域に所定のパ
ワーが必要となり、レーザ光をエネルギ的に有効に利用
することが困難であった。

【０００８】また超微細構造をもつ金属原子を励起させ
るために、シングルモードあるいは数モードのレーザ光
を周波数掃引することにより励起する方法は、超微細構
造幅が大きいときには必然的に周波数掃引する範囲も大
きくすることになり、技術的に困難になるだけでなく掃
引速度が大きくなり過ぎると励起効率が低下する。

【０００９】さらに、装置の分離性能を高めるためには
、金属の蒸気密度を高めかつ着目同位体金属を漏れなく
電離しなくてはならないが、蒸気密度が高くなるほど、
電離した着目同位体と電離させていない不要な他の同位
体との電荷交換頻度が増す効果と、イオン密度が大きい
ほど電場による回収時間が長くなる効果とが相乗して、
分離性能が向上しない。

【００１０】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、分離回収すべき同位体原子（以下、着目同位
体と称す。）の超微細構造に起因して複数本あるレーザ
光共鳴吸収ライン（以下、超微細構造ラインと称す。）
の分布拡がりの大小に依存せず、効率よくレーザ光を狙
った共鳴吸収ラインに同調させることができ、またレー
ザパルス間でのイオン効率を向上させることができる同
位体分離装置を提供することを目的とする。 〔発明の構成〕

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る同位体分離
装置は、上述した課題を解決するために、超微細構造を
有する同位体原子を、パルスレーザ光を用いた選択的電
離により分離回収する同位体分離装置において、レーザ
光を照射する領域を、同位体原子の進行方向に位置をず
らせて複数箇所設けるとともに、これら各領域では、分
離回収すべき同位体原子の超微細構造に起因して複数本
あるレーザ光共鳴吸収ラインのうち、各々異なる吸収ラ
インにレーザ光を同調させて電離させるようにしたもの
である。

【００１２】

【作用】本発明に係る同位体分離装置においては、レー
ザ光を照射する領域が、同位体原子の進行方向に位置を
ずらせて複数箇所設けられ、各領域では、着目同位体の
超微細構造ラインのうち、各々異なる吸収ラインにレー
ザ光を同調させて電離させるようにしている。このため
、超微細構造ラインの分布拡がりの大小に依存せず、効
率よくレーザ光を狙った共鳴吸収ラインに同調させるこ
とが可能となり、また着目同位体のイオン量を、複数の
照明領域に分散させることにより、イオン密度が抑制さ
れ、レーザパルス間でのイオン回収効率を高めることが
可能となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００１４】図１は、本発明に係る同位体分離装置の一
例を示すもので、図中、符号１は真空容器であり、この
真空容器１の内部下方位置には、蒸発用るつぼ２が設置
され、この蒸発用るつぼ２内には、同位体分離すべきガ
ドリニウム、ジルコニウム、ウラン、プルトニウム等の
金属原料３が収容されている。そして、この金属原料３
には、電子銃４の電子ビーム５が照射されるようになっ
ている。

【００１５】この電子ビーム５は、図１に示すように、
ホルムヘルツコイル６の外部偏向磁場により、例えば１
８０〜２７０°偏向されて金属原料３に照射されるよう
になっており、これにより金属原料３を加熱・溶融する
ようになっている。そして、金属原料３に照射される電
子ビーム５が、溶融された金属液面を叩くことにより、
金属原料３が蒸発し、蒸発した金属原料３の金属蒸気流
７は、所定の拡がりをもって上昇するようになっている
。

【００１６】この上昇する金属蒸気流７は、図１に示す
ように、回収電極板８の間を流れるが、この部位には、
金属蒸気流７の流れ方向に位置をずらせて複数の照射領
域９がそれぞれ設定され、前記金属蒸気流７は、これら
各照射領域９において、図示しないレーザ装置からの選
択励起用レーザ光および電離用レーザ光が照射されるよ
うになっている。図１は、着目同位体の核スピンＩがＩ
＝１／２の場合を示し、照射領域９は、超微細構造ライ
ンと同数の３箇所に設定されている。

【００１７】これら各照射領域９では、選択励起レーザ
光の照射により、金属蒸気流７は特定の同位体の金属原
子が光共鳴反応により選択的に励起されるようになって
おり、励起された特定同位体の金属原子にさらに電離用
レーザ光を照射することにより、金属原子のエネルギ準
位を高めてイオン化するようになっている。そして、こ
のイオン化された特定同位体は、正電荷を有するイオン
化同位体となり、回収電極板８間に形成される電界によ
り陰電極側に回収されるようになっている。

【００１８】前記各照射領域９でのレーザ光の照射方法
は、単にシングルモードレーザ光を所定の超微細構造ラ
インに同調させる方法でもよく、また同一レーザパルス
内で周波数掃引することにより、着目同位体のエネルギ
レベル密度分布を断熱反転させながら多段励起する方法
でもよく、さらに他の方法でもよい。

【００１９】なお、イオン化されない金属原子は、電界
の影響を受けないため回収電極８間を素通りし、上部に
配設した捕集用回収板１０に捕集されて回収されるよう
になっている。

【００２０】次に、本実施例の作用について説明する。

【００２１】着目同位体の核スピンをＩとすると、この
原子には、超微細構造により（２Ｉ＋１）個の主要な光
共鳴吸収ライン（超微細構造ライン）がある。そこで本
実施例では、原料原子の蒸気流れ方向に位置をずらせて
、この超微細構造ライン毎に別々のレーザ光の照射領域
９を設定している。また、各照射領域９でのパルスレー
ザ光の発振数は、その照射領域９を通過する全ての原料
原子を漏れなく最低１回照射できるよう、通過蒸気速度
と照射領域９の大きさに応じて設定している。

【００２２】いま仮に、着目同位体の核スピンＩをＩ＝
１／２とすると、超微細構造ラインは３本である。説明
の都合上、これらのラインをＡ，Ｂ，Ｃと呼んで区別す
ると、この場合には、原料原子の金属蒸気流７の上流側
から下流側に向けて、Ａラインにレーザ光を同調させる
領域、Ｂラインにレーザ光を同調させる領域、Ｃライン
にレーザ光を同調させる領域の合計３箇所の照射領域９
を連続的に設定することになる。また、着目同位体を１
本のレーザ光だけで電離させる（１段励起）のではなく
、複数本のレーザ光で多段階励起して電離させる場合に
は、各照射領域９毎に、所定の本数のレーザ光を入射さ
せることになる。

【００２３】しかして、１つの照射領域９内では、１つ
の超微細構造ラインだけにレーザ光を同調させることに
なるので、１つの照射領域内で全ての超微細構造ライン
にマルチモードあるいは線幅の広いシングルモードのレ
ーザ光を当てる従来方法に比較して、レーザ光のエネル
ギ密度を高くでき、したがって着目同位体の電離効率を
向上させることができる。

【００２４】なお、ここでの電離効率は、着目同位体の
Ａラインにレーザ光を同調させる領域では、レーザ光照
射前の着目同位体の初期エネルギレベル密度分布におい
て、超微細構造のＡラインに対応するレベル状態にある
もの全てを電離できれば、実質１００％の電離効率とい
うことができ、他の照射領域でも同様であるなら、Ａラ
インからＣライン用の３箇所の照射領域９全てを通過し
た時点で、全ての着目同位体が電離されることになる。

【００２５】また、レーザ光照射により生成される着目
同位体イオンは、３箇所の照射領域９に分散するので、
イオン密度その分低く抑えられ、回収電界の浸透も速く
、回収電極板８への回収時間が短かくなる。したがって
、原料原子の蒸気密度が大きくなって、電離させた着目
同位体と電離させていない不要な他の同位体との電荷交
換頻度が増し、これによって分離性能が低下するといっ
た不具合を抑制することができる。

【００２６】なお、前記実施例では、照射領域９を超微
細構造ラインの数と同数設ける場合について説明したが
、金属原料３の蒸発密度が小さい場合や、各照射領域９
で生成される着目同位体のイオン密度が小さくイオンの
回収時間が充分短かい場合等、電荷交換による着目同位
体イオンの損失が問題とならないときには、照射領域９
の数を減らし、１つの照射領域９で複数の超微細構造ラ
インからの励起を行なうようにしてもよい。また逆に、
照射領域９を超微細構造ラインの数よりもさらに増やし
、同一の超微細構造ラインを使う照射領域９を複数設け
て生成イオン密度低下を図るようにしてもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、レーザ光
を照射する領域を、同位体原子の進行方向に位置をずら
せて複数箇所設け、各領域では、着目同位体の超微細構
造ラインのうち、各々異なる吸収ラインにレーザ光を同
調させて電離させるようにしているので、超微細構造ラ
インの分布拡がりの大小に依存せず、効率よくレーザ光
を狙った共鳴吸収ラインに同調させることができ、また
着目同位体のイオン量を、複数の照射領域に分散させる
ことにより、イオン密度を抑制し、レーザパルス間での
イオン回収効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る同位体分離装置を示す
原理図。

【符号の説明】

１　　真空容器 ２　　蒸発用るつぼ ３　　金属原料 ４　　電子銃 ５　　電子ビーム ７　　金属蒸気流 ８　　回収電極板 ９　　照射領域 １０　　捕集用回収板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　超微細構造を有する同位体原子を、パ
   ルスレーザ光を用いた選択的電離により分離回収する同
   位体分離装置において、レーザ光を照射する領域を、同
   位体原子の進行方向に位置をずらせて複数箇所設けると
   ともに、これら各領域では、分離回収すべき同位体原子
   の超微細構造に起因して複数本あるレーザ光共鳴吸収ラ
   インのうち、各々異なる吸収ラインにレーザ光を同調さ
   せて電離させるようにしたことを特徴とする同位体分離
   装置。