JPH0156821B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、レーザー光による光子照射と、それ
に続く、レーザー光で励起された原子、イオンま
たは分子のペンニング（Penning）。イオン化と
の組み合わせ効果により、気体混合物から同位体
を分離する方法に関する。 公知の如く、ウランの異種の同位体（U²³⁵と
U²³⁸）を分離する好ましい従来技術の方法は、レ
ーザー光子のエネルギーが同位体の特性遷移と共
鳴するレーザー光束を、純粋なまたは化合した形
のウランを含む気体混合物に導入することからな
る。励起を選択的にしようとする場合、送られる
レーザー放射のエネルギーの幅は、ウラン同位体
の質量差に起因する、ウラン同位体の励起準位の
間の差より小さいことが不可欠である。この方法
は、一定のウラン同位体の選択的光励起のため、
または光解離のためにさえ実用的であるが、化合
物を光イオン化するレーザー光による励起の有効
断面積が小さいため、操作の全効率が著しく低下
して、操作のコストが増大し、実施できないほど
にコスト高になることがある。 従来技術の方法では、通常第１段階は、スペク
トル幅がウラン原子の吸収線の同位体変位より小
さい適当な色素レーザーを用いて、目的の同位体
原子、たとえば金属蒸気から得られるウラン原子
を選択的に励起することからなる。この反応の有
効断面積は大体10^-14cm²である。次の段階では同
じレーザーまたはより容量の高いレーザーが用い
られて、目的の同位体は、電子すなわち振動の連
続遷移によりイオン化電位にもたらされる。 最初の励起だけは確実に選択的でなければなら
ない。 １つの励起準位だけが粒子で十分占められ
（populated、逆転分布状態）て、所与の同位体
に相当するように操作されれば、この、電子すな
わち振動の準位から出発して、選択的に励起され
た原子を、励起が選択的でない任意の適当な手段
によりイオン化すればよい。その理由は、最初の
レーザー光による励起が選択的で、一種類の同位
体の励起準位だけを粒子が占めるので、ほかの同
位体に相当する隣接の準位が粒子で占められるこ
とがないからである。 本発明は、光イオン化過程すなわち２番目の非
選択的光イオン化段階を、有効断面積の遥かに大
きい（レーザー光を用いる光イオン化の有効断面
積の1000ないし10000倍）ペンニング・イオン化
で置き換えることから実質的になる。 用語「ペンニング・イオン化」とは、準安定原
子または分子との衝突により励起気体同位体をイ
オン化することである。光イオン化に必要な電力
水準では、前記の励起準安定原子の生成は、従来
技術で使用される紫外線光子または赤外線光子さ
えもの生成より経済的である。 本発明に従えば、気体混合物から同位体を分離
する方法であつて、多数の同位体を含む混合物
に、該気体混合物の励起準位の同位体と共鳴する
エネルギーをもつた光子からなるレーザー光を照
射し、同時に、励起エネルギーが、該混合物の成
分のイオン化エネルギーより小さく、かつ、レー
ザー光により励起された同位体のイオン化エネル
ギーと、同じ同位体の励起エネルギーとのエネル
ギー差より大きい準安定原子または分子を該混合
物に導入することを特徴とする方法が提供され
る。 準安定原子（ペンニング・イオン化）は気体の
選択的励起原子または分子と衝突してこれをイオ
ン化する。前述の通り、準安定原子の励起エネル
ギーは同じ混合物の同位体のイオン化エネルギー
より小さくされているので、光子で励起された同
位体に相当しない混合物中成分と準安定原子との
衝突により準安定原子の損失を招くような混合物
中のほかの同位体の非選的イオン化が行なわれな
いことが保証される。しかし、励起を起こさせる
場合は、衝突により遊離される準安定原子のエネ
ルギーは、イオン化エネルギーと、レーザー照射
により得られる励起準位のエネルギーとのエネル
ギー差より大きくなければならない。 もちろん、従来技術におけるように、レーザー
光のスペクトル線の幅は、エネルギーに関して、
ウラン同位体の２つの励起水準間のエネルギー差
より小さくなければならない。 本発明の特に有利な実施態様においては、気体
混合物中で金属ウランの代わりに、１回イオン化
ウラン（U⁺）を使用することができる。その場
合、用語「イオン化エネルギー」とは、１回イオ
ン化ウラン（U⁺）から２回イオン化ウラン
（U²⁺）を生成させるのに必要なエネルギーのこ
とである。 本発明のそのほかの特長と利益は、添付の図面
について例として示す以下の実施態様の説明から
明らかであろう。 第１図において、参照番号２は気体状態のウラ
ン原子の基底準位を表わし、４と６は、それぞれ
第一準位まで励起されたウラン235と238の各原子
のエネルギー準位を表わし、平行斜線領域８は、
基底準位に関して6.2電子ボルトのエネルギーに
相当するイオン化連続体を表わす。水準４と６の
差は、これらの励起水準のウラン原子の同位体変
位を表わす。この遷移は、ウラン235の場合は
5915Åで起こる。したがつて、レーザーにより放
出される光の線の太さは、ウラン235の線とウラ
ン238の線の間のエネルギー差より小さくなけれ
ばならない。これは容易に達成できる。矢印１０
は従来技術における次段階の光イオン化を示し、
これは反応 U^*235＋hν→U²³⁵＋ｅ に従つて行なわれ、そして矢印１２は、励起水準
が十分に占められたウラン235から出発してウラ
ンをイオン化する、本発明に従う反応 M^*＋U^*235→U⁺²³⁵＋Ｍ＋ｅ を示す。M^*は準安定原子または分子である。 次の最初の反応だけが選択的である： U²³⁸＋U²³⁵hν→U²³⁸＋U^*235。 ２番目の反応（矢印１０または１２で示す）は
必ずしも選択的である必要はない。 例として、最初の段階が5915Åにおけるウラン
235の同位体として選択的遷移である場合、水銀
の準安定原子Hg（ ³P₁）を有利に使用することが
でき、物質Ｍは、ウラン蒸気に対して実質的に不
活性な金属原子状態であることが有利である。第
１表から選ばれる準安定状態の希ガスまたは水銀
は、それが前記したエネルギー基準を満たすなら
使用することができるし、励起二量体または六量
体、たとえば準安定状態と基底状態の組み合わせ
により得られるHe^* ₂またはAr^* ₂も使用することが
できる。適当な準安定状態の希ガスの例には、状
態 ³P₀と ³P₂のAr、XeおよびKrがあり、これら
は分光学的選択則ΔJ＝１に従わない結果、準安
定状態である。状態 ¹P₁と ³P₁は、基底状態S₀へ
の遷移が可能なので、真の準安定状態ではない。
しかし、これらはけい光を共鳴線の自己吸収によ
り捕獲する結果、基底状態S₀へ落ちるまでの実寿
命は非常に長い。ヘリウムは電子構造が異なり、
法則ΔS＝０に従う。 最後に、2357Åの線の吸収により生成された準
安定状態の水銀によるイオン化（ペンニング・イ
オン化）は、写真化学でよく知られた接触手順で
ある。 第１図に示すように、準安定原子から受け取る
エネルギーは6.2電子ボルトより小さくなければ
ならないので、このエネルギーはウラン原子を基
底状態から非選択的にイオン化せず、そしてウラ
ン（U^*235）の励起準位とイオン化準位の間のエ
ネルギー差（約4.1電子ボルト）より大きくはな
い。もちろん、第１図は１回イオン化ウランに関
するものであるが、１回イオン化ウランが出発物
質である場合は、最終生成物は、U⁺の選択的励
起とペンニング・イオン化により２回イオン化ウ
ランとなり得る。 第２図に関する例では、最初の段階は5915Åで
のウランの選択的同位体遷移と水銀の準安定原子
Hg ³P₁によるイオン化であり、次の反応に従
う： (1) U²³⁵ ₀＋hν（16900cm^-1）→U^*235 (2) U^*235＋Hg（ ³P₁）→U⁺＋Hg（ ¹S）＋ｅ ペンニング・イオン化により遊離される過剰の
エネルギーは最初のウラン遷移エネルギーより小
さく、これにより、基底状態U₀から直接、非同
位体的選択されたイオンが生成するのが避けられ
る、ペンニング・イオン化の有効断面積は、現在
知られる最大（10^-14ないし10^-16cm²）のものに入
る。唯一の干渉は、準安定原子の作用（準安定原
子のエネルギーによる共鳴遷移）により基底状態
のウランから励起ウランU_xを与える共鳴遷移U_p
→U_xにより惹起されるが、その場合、励載U_xが
全く無駄になるわけではない。というのは、励起
U_xも選択的励起ウラン原子に所望のペンニン
グ・イオン化を行なう機会が十分にあるからであ
る。 第２図で、参照番号２０は、管２４から導入さ
れ、抵抗体２２で加熱される水銀源を示す。この
水銀は蒸気の状態で室２６に導入され、そこで準
安定気体水銀に変換され、管１８から排出され
る。準安定状態の水銀Hg（ ³P₁）は、水銀ランプ
３０から放出されてフイルター３２とレンズ３４
を通つた光束２８で室２６内の水銀を励起するこ
とにより得られる。2537Åに集められた光は水銀
を励起し、この水銀は適当な流速で室３６に導入
される。未使用の水銀は、ポンプ手段（図示せ
ず）に連結されたパイプ系３８から排出される。
ローダミン6Gレーザー４０が全反射プリズム４
２を通して5915Åの光束を、準安定水銀原子の噴
流と、室４４内で約2000℃に加熱されて生成され
て室４４を出るウラン原子の噴流４６の両方を含
む室３６に送る。 この装置により、ウラン原子は選択的にイオン
化される。イオン化されたウランは、適当な電源
４６に接続したプレート４８上に捕集されるか、
室内に適当に配置された電極とポンプ系（図示せ
ず）により取り出される。 ２番目の1850Åの水銀共鳴線はろ過して、衝突
によりウランの非選択的イオン化すなわち励起を
生ずることもある高い励起状態の水銀の生成を回
避している。 第３図は本発明の変更態様を示し、矢印５０に
沿つて窓５０から入れられたレーザー光は、１４
でイオン状態と準安定原子状態のウラン混合物を
照射する。適当な任意の従来構造をしたイオン源
が１５で示されている。準安定原子は物質Ｍがパ
イプ系５８に導入された後で生成されるが、この
パイプ系５８では、電源６２により超短波電流が
供給されている巻線６０により高周波場が生じ
る。イオンM⁺は２個の電極６３により準安定原
子Ｍ※から分離され、準安定原子Ｍ※はパイプ系
６４を通つて室５４へ送られ、そこで１回イオン
化ウランと反応して２回イオン化ウランを生成
し、これはたとえば捕集プレート６６上に捕集さ
れる。捕集プレート６６の電位を調節して、２回
イオン化ウランイオンだけを捕集し、１回イオン
化ウランを捕集しないようにすることができる。
１回イオン化ウランはイオン源に再循環させるこ
とができる。２番目のウランイオン化電位は最初
のものより約12eV高い。 金属ウランの蒸気を生成させる困難性を除去す
るためには、U⁺イオンから出発して、第１図に
関して説明したものと同様の遷移方式を用いると
有利であるが、ただし今回は２回イオン化ウラン
が得られる。U⁺イオン源の主な利点は、U⁺イオ
ンをビームに画定して形成することができ、した
がつてるつぼや中性原子ビームの問題点が避けら
れることである。その上、中性原子ビームでは困
難な、イオンの運動エネルギーの制御ができるこ
とである。さらに、最初と２番目のイオン化電位
の差は、第１表に示した希ガスの準安定原子のエ
ネルギーの選択を広くしている。理解されるよう
に、たとえばU²³⁵⁺の選択的励起を行なう第１段
階を、260eVを供給するローダミン6Gレーザー
の照射で横断（cross）させることができ、そし
て第２段階はこの中間段階から、10.03eVの準安
定クリプトン原子 ³P₁との衝突によるU²³⁵⁺イオ
ンまでとなる。別の方法として、ローダミンＢレ
ーザーの第２高調波を第１段階に使用し、そして
8.43eVの準安定キセノン原子 ³P₁を第２段階に
使用することができる（もちろん、これら２つの
例は決定して本発明を限定するものではない）。
準安定原子の放射寿命は非常に長く、He（2³S）
とAr（ ³P₂）の水準で百分の数秒のオーダーであ
るので、これらを放電すなわち高周波場で別々に
生成させて、過度のポンプ速度を用いないで、予
めレーザーにより同位体的に選択された状態U⁺
※に励起されたイオンビーム中に導入することは
容易である。一例を第３図に示すが、次の２つの
反応を含む： U⁺＋hν₁→U^+*（イオンの選択的励起） および U^+*＋M^*→U⁺⁺＋Ｍ＋ｅ（エネルギーの移動）。 第１表の気体Ｍのイオン化電位は6.2eVより大
きいので、U⁺からの次の種類の電荷移動反応が
起こるおそれはない： U⁺＋Ｍ→Ｕ＋M⁺。 第４図は、やはりペンニング・イオン化を利用
し、１回イオン化ウランから出発して本発明を実
施するための別の装置を示し、この装置は気体状
態の物質Ｍの原子源（図示せず）に接続したパイ
プ系８０を含み、このパイプ系８０により中性物
質のビームがイオン化箱８２に送られ、ここで高
温陰極８４（電源８５で電気的に付勢される）か
ら放出された電子が原子Ｍをイオン化すなわち励
起する。箱８２に続いて交換箱８６と電極８８が
ある。選択的照射が、矢印９０に沿つて送られる
光により行なわれる。一対の電極９２を進行距離
の末端に置くことができる。図に示したように、
原子M⁺とM^*は箱８２を出て箱８６に入る。箱８
６の壁面は負の電位でM⁺イオンを引きつけ、M⁺
イオンは箱２６のウラン壁（金属ウランで被覆）
上でウラン原子と電荷を交換してU⁺を生成する。 他方、準安定原子は進行を続ける。U⁺とＭ原
子が箱８６の出口に現われるが、これらが適当な
レーザー放射を受けると、U⁺状態の選択的励起
同位体は前記の反応により二重イオン化状態にな
る。そのほかの同位体は、エネルギー分布が次の
不等式： Ｅ（イオン化U⁺→U⁺⁺）＜−Ｅ（U^+*） ＜Ｅ（M^*）Ｅ（イオン化U⁺→U⁺⁺） に従うので、レーザーエネルギーにより二重にイ
オン化される。 レーザーによるウラン同位体の分離方法の最後
の段階で、光イオン化と比較した「ペンニング」
衝突の利益は次の通りである： (1) ペンニング・イオン化有効断面積が非常に大
きい（10^-14ないし10^-16cm²）。 (2) エネルギーの選択範囲の広い準安定原子が、
匹敵するエネルギーの紫外線光子より高いエネ
ルギー効率で十分な数（10^-10ないし10^-2at^-3）
生成できる。 (3) 寿命が非常に長い（10^-2秒のオーダー）ため
に、準安定原子が適当なポンプ送り速度（10⁴
cm／秒）で送れる。 (4) 準安定原子が、第１表に示した対応共鳴線の
吸収により「その場で」生成できる。 準安定原子は、基本周波数で放射するレーザー
では到達し得ない。または高調波の発生により非
常に低収率で倒達し得る５ないし12eVのエネル
ギーを直接移すことができる。 実施例 毎秒６×10¹⁵光子の流速で5915Åで１ミリワツ
トを放出する交流レーザーを使用した。このレー
ザーはU⁺イオン雰囲気に、10^-3アンペアより大
きいU⁺イオンの流れに相当する量に少なくとも
等しい量の光を放出した。イオンは
Duoplasmatronまたは類似の発生源で発生させ
ることができる。準安定原子の流速は同様に毎秒
６・10^-15より大きかつた。準安定原子は気体流
速10⁴cm・Ｓで高周波放電（2450MHz、100W）に
よるか、約100mAの放電により生成させた。そ
の結果、１cm³当り10¹⁰ないし10¹¹個の準安定原子
が10⁴cm・S^-1の流速で生成し、したがつて10¹⁴な
いし10¹⁵個／cm^-2・S^-1の流速の準安定原子が得
られた。 こうして分離されたウランの量は毎時約１マイ
クログラムであつた。 The present invention involves photon irradiation with laser light, followed by Penning of atoms, ions, or molecules excited by the laser light. It relates to a method for separating isotopes from gaseous mixtures by a combined effect with ionization. As is known, different isotopes of uranium (U ²³⁵ and
A preferred prior art method for separating U ²³⁸ ) consists of introducing a laser beam in which the energy of the laser photons resonates with the characteristic transitions of the isotopes into a gaseous mixture containing uranium in pure or combined form. If the excitation is to be selective, it is essential that the energy width of the delivered laser radiation is smaller than the difference between the excited levels of the uranium isotopes due to the mass difference of the uranium isotopes. This method is based on selective photoexcitation of certain uranium isotopes.
or even practical for photodissociation, but the small effective cross-section of excitation by the laser light to photoionize the compound significantly reduces the overall efficiency of the operation and increases the cost of the operation to the point where it cannot be carried out. This can lead to high costs. In prior art methods, the first step usually involves selecting the isotopic atoms of interest, for example uranium atoms obtained from metal vapor, using a suitable dye laser whose spectral width is smaller than the isotopic displacement of the absorption line of the uranium atoms. It consists of excitation. The effective cross section for this reaction is approximately 10 ^-14 cm ² . In the next step, the same laser or a higher capacity laser is used, and the isotope of interest is brought to an ionization potential by successive electron or vibrational transitions. Only the first excitation must be reliably selective. If only one excited level is sufficiently populated with particles and manipulated to correspond to a given isotope, starting from this electronic or vibrational level, the selection The selectively excited atoms may be ionized by any suitable means in which the excitation is not selective. The reason for this is that the initial excitation by the laser beam is selective, and the particle occupies only the excited level of one type of isotope, so the adjacent level corresponding to other isotopes is not occupied by the particle. It is from. The invention consists of replacing the photoionization process, the second non-selective photoionization step, with Penning ionization, which has a much larger effective cross section (1000 to 10000 times the effective cross section of photoionization using laser light). Become substantial. The term "penning ionization" refers to the ionization of an excited gas isotope by collision with metastable atoms or molecules. At the power levels required for photoionization, the production of such excited metastable atoms is more economical than the production of ultraviolet or even infrared photons used in the prior art. According to the present invention, there is provided a method for separating isotopes from a gas mixture, wherein a laser beam comprising photons having an energy resonating with an isotope at an excited level of the gas mixture is applied to a mixture containing a large number of isotopes. , and at the same time the excitation energy is smaller than the ionization energy of the component of the mixture and larger than the energy difference between the ionization energy of the isotope excited by the laser light and the excitation energy of the same isotope. Alternatively, a method is provided, characterized in that the molecule is introduced into the mixture. Metastable atoms (Penning ionization) collide with and ionize selectively excited atoms or molecules of the gas. As mentioned above, the excitation energy of a metastable atom is lower than the ionization energy of an isotope in the same mixture, so collisions between the metastable atom and a component in the mixture that does not correspond to the isotope excited by the photon cause the metastable atom to It is ensured that there is no non-selective ionization of other isotopes in the mixture that would result in a loss of . However, when excitation is to be caused, the energy of the metastable atoms liberated by collision must be greater than the energy difference between the ionization energy and the energy of the excited level obtained by laser irradiation. Of course, as in the prior art, the width of the spectral lines of laser light is
It must be smaller than the energy difference between the two excitation levels of the uranium isotope. In a particularly advantageous embodiment of the invention, singly ionized uranium (U ⁺ ) can be used instead of metallic uranium in the gas mixture. In that case, the term "ionization energy" refers to the energy required to produce twice-ionized uranium (U ²⁺ ) from once-ionized uranium (U ⁺ ). Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment, given by way of example with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. In Figure 1, reference number 2 represents the ground level of a uranium atom in a gas state, 4 and 6 represent the energy levels of each atom of uranium 235 and 238 excited to the first level, respectively, and parallel The shaded area 8 is
Represents an ionization continuum corresponding to an energy of 6.2 electron volts with respect to the ground level. The difference between levels 4 and 6 represents the isotopic displacement of the uranium atoms at these excitation levels. This transition, in the case of uranium-235,
It occurs at 5915 Å. Therefore, the thickness of the line of light emitted by the laser must be smaller than the energy difference between the uranium-235 line and the uranium-238 line. This is easily achieved. arrow 10
shows the next stage of photoionization in the conventional technology,
This takes place according to the reaction U ^*235 +hν→U ²³⁵ +e, and arrow 12 indicates the reaction M ^* +U ^*235 according to the invention, which ionizes uranium starting from uranium 235 with a fully occupied excitation level. →U ⁺²³⁵ +M+e is shown. M ^* is a metastable atom or molecule. Only the first reaction is selective: U ²³⁸ +U ²³⁵ hν→U ²³⁸ +U ^*235 . The second reaction (indicated by arrows 10 or 12) does not necessarily have to be selective. As an example, the first step is uranium at 5915Å
In the case of a selective transition as an isotope _of 235, the metastable atom of mercury Hg( ^3P1 ) can be advantageously used, and the substance M is a metallic atomic state substantially inert to uranium vapor. It is advantageous that Metastable noble gases or mercury selected from Table 1 may be used if they meet the energy criteria mentioned above, and excited dimers or hexamers, e.g. combinations of metastable and ground states, may be used. He ^* ₂ or Ar ^* ₂ obtained by can also be used. Examples of suitable metastable noble gases include Ar, Xe, and Kr in states ³ P ₀ and ³ P ₂ , which are metastable as a result of not obeying the spectroscopic selection rule ΔJ = 1. . States ¹ P ₁ and ³ P ₁ are not true metastable states since transitions to the ground state S ₀ are possible.
However, as a result of capturing fluorescence through self-absorption of the resonance line, these have a very long actual lifetime until falling to the ground state S ₀ . Helium has a different electronic structure,
Follows the law ΔS=0. Finally, ionization by metastable mercury produced by absorption of the 2357 Å line (Penning ionization) is a well-known contact procedure in photographic chemistry. As shown in Figure 1, the energy received from the metastable atom must be less than 6.2 electron volts, so that this energy does not non-selectively ionize the uranium atom from the ground state and the uranium (U ^* 235) It is no larger than the energy difference between the excited and ionized levels (about 4.1 electron volts). Of course, Figure 1 refers to once-ionized uranium, but if once-ionized uranium is the starting material, the final product can be twice-ionized uranium by selective excitation of U ⁺ and Penning ionization. . In the example related to Figure 2, the first step is the selective isotopic transition of uranium at 5915 Å and the metastable atom of mercury.
Ionization by Hg ³ P ₁ , following the following reaction: (1) U ²³⁵ ₀ + hν (16900 cm ^-1 ) → U ^*235 (2) U ^*235 + Hg ( ³ P ₁ ) → U ⁺ + Hg ( ¹ S) +e The excess energy liberated by Penning ionization is less than the initial uranium transition energy, which avoids the generation of non-isotopically selected ions directly from the ground state U ₀ of Penning ionization. The effective cross-sectional area is among the largest currently known (10 ^-14 to 10 ^-16 cm ² ). The only interference is the resonance transition U _p which gives excited uranium U _x from ground state uranium due to the action of metastable atoms (resonant transition due to the energy of metastable atoms)
→U _x , but in that case, the excitation U _x is not completely wasted. That is, the excitation
This is because U _x also has ample opportunity to perform the desired penning ionization on selectively excited uranium atoms. In FIG. 2, reference numeral 20 indicates a mercury source introduced through tube 24 and heated by resistor 22. In FIG. This mercury is introduced in vapor form into chamber 26 where it is converted to metastable gaseous mercury and discharged through tube 18. Mercury Hg ( ³ P ₁ ) in a metastable state is emitted from the mercury lamp 30 and passes through the filter 32 and lens 34.
It is obtained by exciting the mercury in the chamber 26 with the light beam 28 passing through the . The light focused at 2537 Å excites mercury, which is introduced into chamber 36 at a suitable flow rate. Unused mercury is discharged through a pipe system 38 connected to pumping means (not shown).
Rhodamine 6G laser 40 is total reflection prism 4
2 to a chamber 36 containing both a jet of metastable mercury atoms and a jet 46 of uranium atoms heated to about 2000.degree. C. in chamber 44 and exiting chamber 44. This device selectively ionizes uranium atoms. The ionized uranium is collected on a plate 48 connected to a suitable power source 46 or
It is removed by means of electrodes and a pump system (not shown) suitably placed within the chamber. The second 1850 Å mercury resonance line is filtered to avoid the formation of highly excited states of mercury that can result in non-selective ionization or excitation of uranium upon collision. FIG. 3 shows a modification of the invention in which the laser light admitted through window 50 along arrow 50 is
irradiates a mixture of uranium in ionic and metastable atomic states. An ion source of any suitable conventional construction is shown at 15. The metastable atoms are created after the substance M is introduced into a pipe system 58 in which a high frequency field is generated by a winding 60 which is supplied with an ultra-high frequency current by a power source 62. The ions M ⁺ are separated from the metastable atoms M* by two electrodes 63, and the metastable atoms M* are sent through a pipe system 64 to the chamber 54, where they react once with ionized uranium and twice as ionized uranium. , which is collected, for example, on a collection plate 66. By adjusting the potential of the collection plate 66, it is possible to collect only twice-ionized uranium ions and not collect once-ionized uranium ions.
Once ionized uranium can be recycled to the ion source. The second uranium ionization potential is about 12 eV higher than the first. In order to eliminate the difficulty of producing a vapor of metallic uranium, it is advantageous to start with U ⁺ ions and use a transition scheme similar to that described with respect to Figure 1, but this time with two ionizations. Uranium is obtained. The main advantage of the U ⁺ ion source is that the U ⁺ ions can be defined and formed into a beam, thus avoiding the problems of crucibles and neutral atom beams. Furthermore, it is possible to control the kinetic energy of ions, which is difficult with neutral atom beams. Furthermore, the difference between the first and second ionization potentials provides a wide choice of energies for the metastable atoms of the noble gases listed in Table 1. As will be appreciated, for example, the first stage of selective excitation of U ²³⁵⁺ can be crossed by irradiation with a rhodamine 6G laser delivering 260 eV, and the second stage starts from this intermediate stage. Up to U ²³⁵⁺ ion due to collision with 10.03 eV metastable krypton atom ³ P ₁ . Alternatively, the second harmonic of the Rhodamine B laser is used in the first stage, and
A metastable xenon atom ³ P ₁ of 8.43 eV can be used in the second stage (of course, these two examples are not determined and limit the invention).
The radiative lifetime of metastable atoms is very long, He( ^23S )
and Ar ( ³ P ₂ ) levels in the order of a few hundredths of a second, so these can be generated separately in a discharge or radio frequency field and are isotopically selected by a laser beforehand without excessive pumping speeds. state U ⁺
*It is easy to introduce into an excited ion beam. An example is shown in Figure 3 and involves two reactions: U ⁺ +hv ₁ →U ^+* (selective excitation of ions) and U ^+* +M ^* →U ⁺⁺ +M+e (transfer of energy). Since the ionization potential of the gas M in Table 1 is greater than 6.2 eV, there is no risk of the following type of charge transfer reaction from U ⁺ occurring: U ⁺ +M→U+M ⁺ . FIG. 4 shows another apparatus for carrying out the invention starting from once ionized uranium, also using Penning ionization, which apparatus includes an atomic source of material M in the gaseous state (not shown). includes a pipe system 80 connected to a pipe system 80 that delivers a beam of neutrals to an ionization box 82 where electrons emitted from a hot cathode 84 (electrically energized by a power source 85) are Atom M is ionized or excited. Following the box 82 is a replacement box 86 and an electrode 88. Selective illumination is provided by light directed along arrow 90. A pair of electrodes 92 can be placed at the ends of the travel distance. As shown in the figure,
Atoms M ⁺ and M ^* leave box 82 and enter box 86. Box 8
The wall surface of 6 attracts M ⁺ ions with negative potential, and M ⁺
Ion is the uranium wall of box 26 (covered with metallic uranium)
exchange charge with the uranium atom above to produce U ⁺ . On the other hand, metastable atoms continue to progress. U ⁺ and M atoms appear at the exit of box 86, and when they are subjected to appropriate laser radiation, the selectively excited isotopes of the U ⁺ state become doubly ionized by the reaction described above. For other isotopes, the energy distribution follows the following inequality: E (ionization U ⁺ →U ⁺⁺ ) < −E (U ^+* ) < E (M ^* ) E (ionization U ⁺ →U ⁺⁺ ), so Doubly ionized by laser energy. "Penning" compared to photoionization, the last step in the laser separation method for uranium isotopes
The benefits of collisions are: (1) The Penning ionization effective cross section is very large (10 ^-14 to 10 ^-16 cm ² ). (2) Metastable atoms with a wide energy selection range are
Sufficient number with higher energy efficiency than ultraviolet photons of comparable energy (10 ^-10 to 10 ^-2 at ^-3 )
Can be generated. (3) Because of their very long lifetimes (on the order of 10 ^-2 s), metastable atoms can be used at reasonable pumping rates (10 ⁴
cm/sec). (4) Metastable atoms can be generated ``in situ'' by absorption of the corresponding resonance lines listed in Table 1. Metastable atoms cannot be reached by lasers emitting at the fundamental frequency. Alternatively, energy of 5 to 12 eV can be directly transferred, which can be achieved with very low yields by harmonic generation. EXAMPLE An alternating current laser emitting 1 milliwatt at 5915 Å with a flow rate of 6×10 ¹⁵ photons per second was used. This laser emitted into the U ⁺ ion atmosphere an amount of light at least equal to the amount corresponding to a flow of U ⁺ ions greater than 10 ⁻³ amperes. Ion is
Can be generated by a Duoplasmatron or similar source. The flux of metastable atoms was likewise greater than 6·10 ^-15 per second. Metastable atoms were generated by high-frequency discharge (2450 MHz, 100 W) at a gas flow rate of 10 ⁴ cm·S or by a discharge of approximately 100 mA. As a result, 10 ¹⁰ to 10 ¹¹ metastable atoms per cm ³ are produced at a flow rate of 10 ⁴ cm S ^-1 , and therefore at a flow rate of 10 ¹⁴ to 10 ¹⁵ atoms/cm ^-2 S ^-1. A metastable atom was obtained. The amount of uranium thus separated was approximately 1 microgram per hour.

【表】 注：状態 ³P₁と ³P₂は、ΔJ＝１に従わないの
で準安定である。状態 ¹P₁と ³P₁はこの法則に従
うので準安定ではないが、放射線捕獲のために寿
命が長い。共鳴線 ³P₁（Ar 1067Å （Kr 1236Å （Xe 1470Å ¹S₀ ³P₁ Hg 2537Å[Table] Note : States ³ P ₁ and ³ P ₂ are metastable because they do not obey ΔJ = 1. States ¹ P ₁ and ³ P ₁ obey this law and are not metastable, but they have long lifetimes due to radiation capture. Resonance line ³ P ₁ (Ar 1067Å (Kr 1236Å (Xe 1470Å ¹ S ₀ ³ P ₁ Hg 2537Å

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は、本発明によるウラン原子のイオン化
に相当するエネルギー準位を示すエネルギー図で
ある。第２図は、本発明の方法を実施するための
装置の実施態様で、準安定原子がポンプで送られ
た水銀であり、ウラン源が加熱により蒸発した金
属ウランである場合を示す。第３図は、本発明の
別の実施態様で、出発物質が既に１回イオン化さ
れたウランである場合を示す。そして第４図は変
更態様を示す。 ２……基底状態、４……ウラン235のエネルギ
ー準位、６……ウラン238のエネルギー準位、８
……イオン化連続体、２０……水銀源、３０……
水銀ランプ、４０……レーザー、４６……ウラン
の噴流、６３……電極、６６……捕集プレート、
８２……イオン化箱、８４……陰極、８６……交
換箱、８８，９２……電極。 FIG. 1 is an energy diagram showing energy levels corresponding to the ionization of uranium atoms according to the present invention. FIG. 2 shows an embodiment of the apparatus for carrying out the method of the invention, in which the metastable atom is pumped mercury and the uranium source is metallic uranium vaporized by heating. FIG. 3 shows another embodiment of the invention in which the starting material is uranium that has already been ionized once. FIG. 4 shows a modification. 2...ground state, 4...energy level of uranium-235, 6...energy level of uranium-238, 8
...Ionization continuum, 20...Mercury source, 30...
Mercury lamp, 40... Laser, 46... Uranium jet, 63... Electrode, 66... Collection plate,
82... Ionization box, 84... Cathode, 86... Exchange box, 88, 92... Electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １ 気体混合物から同位体を分離する方法におい
て、多数の同位体を含む気体混合物に、該気体混
合物の励起準位の同位体と共鳴するエネルギーを
もつた光子からなるレーザー光を照射し、同時
に、励起エネルギーが、該混合物の成分のイオン
化エネルギーより小さく、かつ、レーザー光によ
り励起された同位体のイオン化エネルギーと、同
じ同位体の励起エネルギーとのエネルギー差より
大きい準安定原子または分子を、該混合物に導入
することを特徴とする方法。 ２ 気体混合物が、金属ウランの多数の同位体を
含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の方法。 ３ 気体混合物が、１回イオン化ウランイオンの
多数の同位体を含むことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の方法。 ４ 準安定原子が希ガスまたは水銀の原子である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方
法。 ５ 準安定原子を放電により生成させ、ついでポ
ンプで気体混合物に導入することを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 準安定原子を高周波放電により生成させ、つ
いでポンプで気体混合物に導入することを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 準安定原子を光吸収により生成させることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。[Claims] 1. A method for separating isotopes from a gas mixture, in which a gas mixture containing a large number of isotopes is exposed to a laser beam consisting of photons having energy that resonates with an isotope at an excited level of the gas mixture. , and at the same time the excitation energy is smaller than the ionization energy of the component of the mixture and larger than the energy difference between the ionization energy of the isotope excited by the laser light and the excitation energy of the same isotope. or molecule into the mixture. 2. Process according to claim 1, characterized in that the gas mixture contains multiple isotopes of uranium metal. 3. Process according to claim 1, characterized in that the gas mixture contains multiple isotopes of singly ionized uranium ions. 4. The method according to claim 1, wherein the metastable atom is an atom of a rare gas or mercury. 5. Process according to claim 1, characterized in that the metastable atoms are generated by an electric discharge and then introduced into the gas mixture by means of a pump. 6. Process according to claim 1, characterized in that the metastable atoms are generated by means of a radio-frequency discharge and then introduced into the gas mixture by means of a pump. 7. The method according to claim 1, characterized in that the metastable atoms are generated by light absorption.