JPS5923849B2 - 同位体分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は同位体を光電離法により分離する装置に関する
。

同位体、特にウランの同位体Ｕ２３８およびＵ２３５を
分離する装置は高価であることが知られている。

この高価であることにより、レーザによって供給される
光ビームが分離されるべき２つの同位体を含んだガスの
中でひとつの同位体の分子を選択的に励起し、励起され
た分子を励起されていない分子から比較的容易に分離さ
れるような他の装置が提案されて来ている。

このような装置の欠点は、分子ガスの場合に、第１の同
位体を第２の同位体が励起されることなく励起できるよ
うな他の同位体のすべての吸収線から充分に異なってい
る１つの同位体の吸収線を見出すことが一般に困難であ
ることによる。

これは２つの同位体のスペクトルに多数の吸収線が存在
することと、これらの線の幅とによる。

通常の状態においては、その幅はほとんどドツプラー効
果による。

この効果は、熱しよう乱による分子の移動方向が光の進
行方向か、それと逆の方向かによって吸収周波数が上下
にシフトされることをいう。

ドツプラー幅ＬＤ、すなわちドツプラー効果による線ス
ペクトルの幅は温度が低下すれは減少して、絶対零度で
はゼロとなる。

このとき吸収線は自然幅ＬＮと呼ばれる残留幅を有し、
これは一般に通常状態におけるドツプラー幅ＬＤよりも
遥かに小さい。

本発明の目的は、分離しようとする２つの同位体がそれ
ぞれ１つの吸収線を持って２つの吸収線間の差がドツプ
ラー幅より小さいが、自然幅より大きいときに、同位体
を分離する装置を提供するにある。

本発明によれは、エンクロージャ内に分離しようとする
第１および第２の同位体をガスの形で入れておく装置と
、これら２つの同位体のガス状分子をイオン化する装置
と、それぞれにイオン化された第１および第２の同位体
の分子を選択的に収集する第１および第２の受信器とを
備えた同位体分離装置において、前記２つの同位体のガ
ス状分子をイオン化する装置は、エンクロージャの透明
窓を介し軸線に沿って通過してきてそのエンクロージャ
の相互作用の場所にあるガス状分子を励起することがで
きる単色励起光源と、前記エンクロージャの別な透明窓
を介し通過してきて前記相互作用の場所において励起さ
れなかった分子はイオン化せず、励起された分子だけを
イオン化することのできる電離光源とで構成され、前記
第１の受信器は、頂点が前記相互作用の場所に位置され
頂角が前記単色励起光源によって励起される確率の最も
高い第１の同位体分子の通路上に母線を位置させるよう
予め決められて前記軸線を中心として回転してみた円錐
面上の前記エンクロージャ内に配置され、前記ガスの圧
力は前記相互作用の場所と前記第１の受信器との間の距
離が前記ガス中の分子の平均自由移動距離の２倍以下と
なるよう充分に低く選択され、前記励起光の周波数ＦＬ
は２つの隣接する第１および第２の同位体の吸収線の周
波数Ｆ１およびＦ２に依存して下限Ｆｌ−−！−ＬＤ２ と上限Ｆ２＋、ＬＤとの間に選択され、これら２つの周
波数Ｆ１およびＦ２間の差ＤＦをこれら線のそれぞれの
ドプラー幅ＬＤより小さくすると同時にこれら２つの線
のそれぞれの自然幅ＬＮより大きくかつ前記励起光源の
線幅ＬＲより太きくし、前記下限Ｆ１−■ＬＤを前記２
つの吸収線の周波数のうち低い方の周波数Ｆ１よりドツ
プラー幅ＬＤの半分だけ低くしたものに等しくし、前記
上限Ｆ２＋ＴＬＤを前記２つの吸収線の周波数のうち高
い方の周波数Ｆ２よりドツプラー幅ＬＤの半分だけ高く
したものに等しくし、これによって励起光による前記分
子の励起の確率を、前記２つの同位体で異なるシフト方
向に応じて定めるようにしたことを特徴とする同位体分
離装置が提供される。

以下添付図面に例示した本発明の好適な実施例について
詳述する。

第１図において、曲線Ａ１およびＡ２はそれぞれ第１お
よび第２の同位体■１および■２を含むガスの２つの吸
収線に相当する単色光の吸収係数の変化を示している。

これらの曲線は、分離を行なうために選択された温度に
おいて、半分の高さのところでドツプラ一幅ＬＤに相当
する大きな幅を有している。

曲線Ｎ１およびＮ２は、ドツプラー効果がないときの同
じ吸収係数の変化、すなわち、半分の高さのところにお
ける同じ吸収線の自然幅を示している。

説明を簡単にするために、これらの自然幅は等しく、か
つＬＮで示すものとする。

これらが等しくなければ、考慮される幅はこれらの幅の
最大のものとなろう。

２つの線の中心周波数Ｆ１およびＦ２はドツプラー幅Ｌ
Ｄより小さく、自然幅ＬＮより大きな差ＤＦ＝Ｆ２−Ｆ
ｌを有している。

ドツプラー効果による周波数シフトが光に関して各分子
の相対速度と関係されているというこきを考慮すれは、
上記の記載から、問題のガスが周波数Ｆ１とＦ２との間
の周波数ＦＬを有する単色光と相互作用させられると、
ガス状分子の励起の確率は相互作用の瞬間におけるシフ
ト方向に大きく依存する結果になる。

ある同位体の分子は、それが光の進行方向に適当な成分
速度を有していれは、大きな励起確率を有することにな
る。

他の同位体の分子は、それが光の進行方向と逆の適当な
成分速度を有していれは、大きな励起確率を有すること
になる。

２つの同位体の分子間の振舞いの相違は、周波数がＦｌ
およびＦ２の外側であるがこれらの周波数の一方に充分
に近い光が使用されたとき、すなわち、実際にはその光
の周波数が周波数Ｆ １−−！−２ ＬＤとＦ ２−１−ＴＬＤとの間の範囲にあるときに、
存在する。

後者の場合、最も励起の可能性のある２つの同位体の分
子は光の進行と同じ方向の速度成分を有するが、これら
の成分は明らかに相異している。

すべての場合において、ガス状分子は熱的平衡にあると
きに互いに接近した絶対速度を有していると考えると、
最も励起の可能性のある分子は光の進行方向とある定め
られた角度、すなわち、その方向を中心とする回転円錐
の任意の方向での角度をなす速度を有することにある。

円錐の頂点における角度は、２つの同位体のどちらの分
子が含まれているかに従って異なる。

相互作用の場所に関連して少なくても１つの受信器が配
置された本発明によれは、同位体の１つを含む分子は、
それらが相互作用の瞬間にその受信器に向って行く時、
非常に大きな励起確率を有する。

それらの励起の殆んど直後に、それらの分子は、励起さ
れた分子はイオン化されるが励起されない分子はイオン
化されないように選はれた波長を有する光によってイオ
ン化される。

このイオン化は実際上分子の進行方向を変更するもので
はない。

受信器は非常に多くの種類のうちの１つとすることがで
きる。

たとえは、それが化学製品であれは、イオン化された分
子を固定するが、イオン化されていない分子は固定され
ないように選はれる。

これはまた電気的種類のものとすることもできる。

励起光による相互作用の時にあるシフト方向にあった分
子を優先的に受ける受信器については、それらの分子に
とって受信器の近くまでその運動方向を維持する必要が
あり、すなわち、相互作用の場所と受信器との間の距離
はガス中の分子の平均自由移動距離より著しく大きくす
る必要はない。

実際、圧力はこの距離が分子の平均自由移動距離の２倍
以下に選択される。

同位体と進行方向とに大きく依存する励起に関し、光源
の線幅は充分に小さく、すなわち、実際上、２つの同位
体の吸収線の間の周波数差より小さくなけれはならない
。

第２図は、受信器が静電吸引によって作用している本発
明による装置を示す。

絶縁壁により形成されたエンクロージャ２は軸線３を中
心とする回転対称体であり、この軸線３に直角で、使用
放射線を透過できる２つのポート６および８の間に位置
された軸方向の相互作用室４を有している。

この相互作用室４は、分離しようとする同位体を含んだ
ガスを適当な圧力下で受ける。

励起用レーザＬＥはポート６を介して相互作用室４に軸
線方向励起ビームを送出する。

それぞれが軸線３を中心とする回転対称体を持った金属
環の形の第１受信器Ｒ１および第２受信器Ｒ２は相互作
用室４の周りのエンクロージャ２の中に配置されており
、発電機１０により負の電位に維持されている。

陽極１２は受信器Ｒ１およびＲ２の間のエンクロージャ
２内に配置されていて、発電機１０により正電位にされ
ている。

受信器Ｒ１およびＲ２は、相互作用室４に関して、励起
用レーザＬＥの光によって励起される可能性の最も大き
な気体分子が、その光との相互作用の時に、同位体■１
を含む場合に受信器Ｒ１の方へ向って行き、同位体■２
を含む場合には受信器Ｒ２の方へ向って行くように配置
されている。

それらの励起の少し後に、それらの分子は通常紫外線で
ある電離光源Ｌ１によってポート８を介して相互作用室
４の中へ送り込まれた光ビームにより選択的にイオン化
される。

このイオン化によってそれらの分子を受信器Ｒ１および
Ｒ２で集めることができる。

エンクロージャ２内の圧力は、一般に、イオン化分子が
相互作用室４と受信器Ｒ１およびＲ２との間で如何なる
衝撃をも受けないように選はれる。

軸線３の方向の相互作用室４の幅は励起用レーザＬＥに
よって供給される光エネルギの大部分がその相互作用室
４の中で吸収されるように選はれる。

本発明は特定の実施例では、分離しようとする同位体■
１および■２はそれぞれセレンの同位体７８および８０
である。

これらは二原子気体セレン分子の形にされるが、本発明
の装置によれは、長さ１．５ｃｒｒＬの相互作用室４に
おいて、気圧２５ミリトール、温度２５０℃で、同位体
の一方の均質分子を他方の同位体の均質分子から分離す
る、すなわち７８Ｓｅ２と８０Ｓｅ２とを分離すること
ができると理解されたい。

励起に対して使用される遷移は 同位体７８ではＢｌｕ−Ｘ１ｇ ２−１３［６６）、
同位体８０ではＢｌ ｕ−ＸＩ ｇ Ｏ−１２［１５
）である。

２つの対応する吸収線の自然幅ＬＮは１０ＭＨｚに近い
。

それらは４．７６５人に非常に近い波長を有している。

それらのドツプラー幅はＬＤ＝ １０００ ＭＨｚにほ
ぼ等しい。

線幅が１０ＭＨｚで波長を約４．７６５人に調節できる
光を供給する既知の単一モード周波数安定イオン化アル
ゴン型レーザＬＥはこの励起のために使用される。

本発明を実施するには、その波長は、最適分離を得るこ
とができる値にまで、予め変化させておくことができる
。

これでも、ガスにより再放出されているけい光の強度を
観察することによって、予備調節を行なう方が一般には
より便利である。

その目的のため、先ず、励起用レーザＬＥの波長は４．
７６５人を中心として前述の２本の線を含む可成広い範
囲にわたって変化するようにする。

その範囲は、たとえは、ドツプラー幅の３倍とする。

そのレーザが放射することによりガスによって放出され
る可視けい光の強度が同時に観察される。

その強度は最初は非常に小さい。強度は使用しようとす
る波長に近づくにつれて大きく増加し、第１の最大値（
周波数Ｆ１に相当）次いで最小値（周波数ＦＬに相当）
を通過し、それから第２の最大値（周波数Ｆ２に相渦）
を通過して再び非常に小さくなる。

このとき、上記の最小に相当する調節は、励起用レーザ
ＬＥに対して選はれる。

はとんど励起されていない分子、すなわちＸ１ｇ状態に
ある分子はイオン化することなしに、励起された分子、
すなわちＢｌｕ状態にある分子を実質上直接に光電離さ
せる紫外線電離光源Ｌ１はイオン化のために使用される
。

この目的のため、その電離光源Ｌ１の光は適当な遮断周
波数を得るようフィルタを通される。

受信器Ｒ１およびＲ２は分子を受けるよう配置されるが
、分子の相互作用室４中での運動方向は励起光の進行方
向に対し、実験的に調節される対称的な角度を成してい
るので、各受信器は同位体の一方を最大限に収集するこ
とになる。

受信器Ｒ１およびＲ２，と相互作用室４との間の距離は
約１．５譚である。

【図面の簡単な説明】

第１図は分離しようとする同位体を含んだガス状分子に
よる単色光の吸収係数Ａの変化をその光の周波数ｆの関
数として示した図、第２図は本発明による装置の断面図
である。 Ｒ１，Ｒ２・・・・・・受信器、ＬＥ・・・・・・励起
用レーザ、ＬＩ・・・・・・電離光源、２・・・・・・
エンクロージャ、４・・・・・・相互作用室、６，８・
・・・・・ポート、１０・・・・・・発電機、１２・・
・・・・アノード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エンクロージャ内に分離しようとする第１および第
   ２の同位体をガスの形で入れておく装置と、これら２つ
   の同位体のガス状分子をイオン化する装置と、それぞれ
   にイオン化された第１および第′２の同位体の分子を選
   択的に収集する第１および第２の受信器とを備えた同位
   体分離装置において、前記２つの同位体のガス状分子を
   イオン化する装置は、エンクロージャの透明窓を介し軸
   線に沿って通過してきてそのエンクロージャの相互作用
   の場所にあるガス状分子を励起することができる単色励
   起光源と、前記エンクロージャの別な透明窓を介し通過
   してきて前記相互作用の場所において励起されなかった
   分子はイオン化せず、励起された分子だけをイオン化す
   ることのできる電離光源とで構成され、前記第１の受信
   器は、頂点が前記相互作用の場所に位置され頂角が前記
   単色励起光源によって励起される確率の最も高い第１の
   同位体分子の通路上に母線を位置させるよう予め決めら
   れて前記軸線を中心として回転してみた円錐面上の前記
   エンクロージャ内に配置され、前記ガスの圧力は前記相
   互作用の場所と前記第１の受信器との間の距離が前記ガ
   ス中の分子の平均自由移動距離の２倍以下となるよう充
   分に低く選択され、前記励起光の周波数ＦＬは２つの隣
   接する第１および第２の同位体の吸収線の周波数Ｆ１お
   よびＦ２に依存して下限Ｆｌ−’ＬＤと上限Ｆ２＋１Ｌ
   Ｄとの２ 間に選択され、これら２つの周波数Ｆ１およびＦ２間の
   差ＤＦをこれら線のそれぞれのドツプラー幅ＬＤより小
   さくすると同時にこれら２つの線のそれぞれの自然幅Ｌ
   Ｎより大きくかつ前記励起光源の線幅ＬＲより大きくし
   、前記下限Ｆｉ−百ＬＤを前記２つの吸収線の周波数の
   うち低い方の周波数Ｆ１よりドツプラー幅ＬＤの半分だ
   け低くしたものに等しく、前記上限Ｆ ２−１７ＬＤを
   前記２つの吸収線の周波数のうち高い方の周波数Ｆ２よ
   りドツプラー幅ＬＤの半分だけ高くしたものに等しくし
   、これによって励起光による前記分子の励起の確率を、
   前記２つの同位体で異なるシフト方向に応じて定めるよ
   うにしたことを特徴とする同位体分離装置。 ２ 前記周波数ＰＬは周波数Ｆ１およびＦ２の間とする
   よう選択されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の装置。 ３ 前記第１の受信器は負電位にされた電極であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 ４ 前記第２の受信器は前記第１の受信器からある距離
   だけ離れて位置され、前記励起光と前記ガス状分子との
   間の相互作用の場所において、その励起光によって前記
   第２の受信器に向って行く第２の同位体の分子が第１の
   受信器に向って行く前記第２の同位体の分子よりも多く
   励起されるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の装置。 ５ 前記２つの受信器は負電位にされた電極であること
   を特徴とする特許請求の範囲第４項記載の装置。 ６ 前記励起光源ＬＥは周波数可変のレーザとし、この
   励起光源から光を受けた時に前記ガスにより放出された
   螢光の強さを観察して前記励起光源の周波数を可変させ
   る装置を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載の装置。