Selective light exciting purifying apparatus and method

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光や電磁波の輻射エネルギー、さらに詳しくはレーザー光を利用した原子、分子の高純度精製装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信、半導体技術などの発展、及びエネルギー問題、環境問題に関連して光学結晶、化合物半導体、ＵＬＳＩ関連材料、核融合炉材料、触媒開発等において超高純度化技術の発展が望まれている。 従来、特定物質の高純度化を行う場合、化学的分離方法が用いられてきた。 化学的分離方法には、溶媒抽出法、ゾーン精製法、電解法、蒸留法、結晶法、膜法、起泡分離法等があるが、高度の精製のためには、その中でも溶媒抽出法、イオン交換法、ゾーン精製法等の分配法と呼ばれる物質の異相平衡における分配係数の違いを利用した分離法が有力な方法として用いられてきた。

【０００３】一方、高純度化の技術とは異なるが、複数種類の同位元素の中から１種類の同位元素を分離する同位元素分離の技術では、レーザー光の波長選択性を利用して気体状態にある原子を励起し、イオン化して、その後電磁気的手法により、目的の同位元素を分離し、収集する原子法と呼ばれるものがある（特公昭５８−５０９
２号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の従来の高純度化の分離方法では、以下の理由により、現状で得られている純度以上の高純度化を行うことは容易ではない。 即ち、 （１）原料中に含まれている特定の不純物には適用できるが、原料中に含まれている他の不純物については別の工夫が必要であるため、原料中に含有されているすべての不純物に対して適用できず、特定の物質を高純度に精製するためには、要求に応じて、また目的に応じての工夫が必要である。 （２）高純度化する物質が常に溶媒と接しているので溶媒そのものからの汚染が起こる。 からである。

【０００５】他方、前記の原子法と呼ばれる同位元素の分離技術は、複数台のレーザー発生装置よりレーザーパルスを照射し、１段階の励起を行って同位元素の分離を行うものである。 しかし、この技術は、イオン化準位の高い原子も含めた一般の場合を考慮すると、１段階の励起過程のみでイオン化を行わせた場合、紫外領域あるいはＸ線領域の短波長領域において使用可能な波長可変レーザーを要する。 現在はかような波長可変レーザーを入手できず、仮に入手可能であったとしてもイオン化収率改善の点で問題がある。 すなわち、エネルギー準位の差に一致しない振動数を持ったレーザー光による多光子吸収励起は、エネルギー差に一致したレーザー光による多段階励起よりも効率が悪い。 これを改善するための多段階励起に対応する方式になっていないからである。

【０００６】本発明の目的は、前述の化学的分離法が持つ従前の欠点を解消した新規な原理に基づく精製装置及び精製法を提供することにある。 本発明の他の目的は、
複数本のレーザーパルス間の時間遅延制御を行い、レーザーパルス光を有効に利用することによって収率向上を図るために、特に改良した選択的光励起精製方法及び装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、蒸発された２
種以上の原子又は分子に輻射エネルギーを照射する第１
及び第２の２つの輻射エネルギー発生装置を有し、第１
の輻射エネルギー発生装置は、蒸発された１種の原子又は分子の物質のみに対して、その基底準位、準安定準位、又はこれら双方の準位から中間エネルギー準位の１
つに遷移させる振動数の輻射エネルギーを照射する手段を有し、第２の副射エネルギー発生装置は、該中間エネルギー準位に励起された物質をさらに上の中間準位又はイオン化準位に遷移させる振動数の輻射エネルギーを照射する手段を有することを特徴とする選択的光励起精製装置である。

【０００８】複数種類の不純物を含む原料の中から、目的とする１種類の特定の原料物質又は不純物物質のみを選択的に励起し、該１種類の原料物質又は不純物物質のみを分離する高純度化精製装置である。 本発明は、不純物を含む原料物質から不純物物質のみを選択して高度に精製することもできるし、又不純物を排除して原料物質を高度に精製することもできる。 複数種類の不純物を含む原料は、蒸発装置により、蒸発されて原子又は分子ビームを形成する。 原子又は分子ビームを、原子又は分子のみを分離するための分離室へ導き入れ、分離室に向けて輻射エネルギーを照射する輻射エネルギー発生装置を有する。 第１の輻射エネルギー発生装置は、基底準位又は準安定準位又はこれらの両方の準位から中間エネルギー準位の１つに遷移させるために少なくとも１種類の振動数の輻射エネルギーを照射して、前記不純物を含む原料の中から前記１種類の原料物質又は不純物物質のみを中間エネルギー準位の１つに遷移させるための輻射エネルギーを発生させるものである。 輻射エネルギーの振動数は、他の不純物又は原料物質を励起させないで目的とする前記１種類の原料物質又は不純物物質の基底準位又は準安定準位、ないしはこれらの両方の準位から中間準位の１つとのエネルギー差に対応する少なくとも１つの振動数に一致するように選ばれる。 前記中間エネルギー準位の１つに励起された前記１種類の原料物質又は不純物物質がその中間準位にある間に、他の不純物物質又は原料物質を励起させないで、前記振動数と同一又は異なる少なくとも１つの振動数を持つ輻射エネルギーを照射して、目的とする特定の物質を前記中間エネルギーからさらに上の中間準位又はイオン化準位に遷移させるための輻射エネルギーを発生する第２の輻射エネルギー発生装置を有する。 輻射エネルギーはいずれもレーザーパルスが用いられることが望ましい。 第１の輻射エネルギー発生装置と第２の輻射エネルギー発生装置によって発生されるレーザーパルスはその波形が異なるものである。

【０００９】また、前記第１及び第２のそれぞれのパルス輻射エネルギーのパルス間の時間制御は、輻射エネルギー発生装置により出力されたパルス輻射エネルギーを検出し、該パルス波形の相違によって両者のパルスを区別し、該パルスの検出時間の差によってパルス間の時間差を検出する、さらに、該時間差を設定値と比較処理し、該時間差が設定値に一致するように、第１又は第２
のパルスの遅延時間を変化させる信号をパルス輻射エネルギー発生装置に送り、パルス輻射エネルギー発生装置の発振開始時間を制御することによって実測のレーザーパルス光の時間遅延を制御する時間遅延制御装置を設けることにより達成できる。

【００１０】

【作用】図１は、Ｎｉを例にとり、本発明の原理を説明するためのＮｉのエネルギー準位を示す準位図である。
図２は、本発明の光イオン化信号を用いる選択的光励起精製装置の概略図である。 図３は、本発明の光イオン化信号を用いる選択的光励起精製装置を用いて測定された光イオン信号スペクトルである。

【００１１】図１に基づき、本発明の原理を説明する。
同図で示すように、Ｎｉのエネルギー準位図では、基底状態3d ⁸ 4s ² ａ ³ Ｆ ₃から２０５ｃｍ ^-1 、すなわち、
０．０２５ｅＶ上方に準安定状態3d ⁹ 4s ａ ³ Ｄ ₃があり、また、基底状態から２９３２１ｃｍ ^-1 、すなわち、
３．６ｅＶ上方に第１段階励起過程として選択的励起を行う第１の中間励起状態4p z ³ Ｆ ⁰ ₃があり、さらに、基底状態から４９３１４ｃｍ ^-1すなわち、６．１ｅＶ上方に第２段階励起過程として選択的励起を行うさらにエネルギー準位の高い第２の中間励起状態4d e ³ Ｆ ₄がある。 本発明では、効率よく励起を行わせるため、図１に示したように基底状態より室温の熱エネルギー程度上方にあり、大きな状態分布を持つと考えられる上記の準安定状態からの２段階励起過程による選択的励起を行う。
第１段階励起過程として第１の中間励起状態と準安定状態との準位のエネルギー差に相当する波長（λ１＝３４
３nm）を持つ輻射エネルギー例えばレーザー光輻射エネルギーを、蒸発されて原子ビームとして分離室に導入されたＮｉ原子に照射して、Γ１で示すように、Ｎｉ原子を基底状態から第１の中間励起状態に励起する。 後述のとおり、使用するレーザー光のエネルギー幅は０．３ｃ
ｍ ^-1と非常に狭いので、他の原子の励起することなくＮ
ｉのみを選択的に励起することができる。

【００１２】次に、第１の中間励起状態に励起されたＮ
ｉ原子をΓ２で示すように、第２段階励起過程によりさらに上方の第２の中間励起状態に選択的励起する。 第２
の中間励起状態と第１の中間励起状態との準位のエネルギー差に相当する波長（λ２＝５００nm）を持つレーザー光をＮｉ原子ビームに照射してＮｉを第２の中間励起状態に励起する。 さらに第２の中間励起状態に励起されたＮｉ原子はλ１又はλ２の波長のレーザー光を吸収してイオン化準位の領域に励起される。 次いで、このようにイオン化したＮｉ原子を原子ビーム中に含まれている不純物と分離するために、任意の適当な偏向装置、例えば、電界発生装置により、偏向して補集板に集める。

【００１３】次に、図２を参照して、本発明のレーザーパルス遅延制御による選択的光励起精製装置を説明する。 レーザーパルス遅延制御による選択的光励起精製装置は、主要な部分として、高純度精製装置１、光電管２
（光電子増倍管）、パルス検出器３、マイクロコンピュータ４、パルスジェネレータ５、パルスレーザー光発生装置６（輻射エネルギー発生装置）を有する。 パルスレーザー光発生装置６は、２系列のレーザーエネルギーを発生させ、コントローラー６１、６２、エキシマレーザー６３、６４、色素レーザー６５、６６で構成されている。 図中Ｍ１、Ｍ２、Ｇ１、Ｇ２はミラーである。

【００１４】高純度精製装置１は、Ｎｉを加熱蒸発してＮｉ原子ビームを形成させる蒸発源と、Ｎｉ原子ビームを導き入れてレーザー光照射により選択的光イオン化を行わせ、Ｎｉイオンを不純物から分離するためにＮｉイオンを電場により偏向、補集を行わせる分離室とを有し、Ｎｉの高純度化を行うものである。

【００１５】光電管２は、高純度精製装置１を通過した後のレーザーパルス光の波形を入射レーザーパルス光ごとに検出し、レーザーパルス光の波形を同形の電気パルス波形に変換する。 レーザーパルス波形の違いは、光電管の前に置かれた減光フィルターＦ１、Ｆ２、Ｆ３によってパルス波高の違いとして与えられる。

【００１６】パルス検出器３は、光電管２により検出されたレーザーパルスを到着時間順にメモリーの番地を指定してレーザーパルス波形を記憶するものである。

【００１７】マイクロコンピュータ４は、パルス検出器３に記憶されたレーザーパルス波形とレーザーパルス間の時間差をパルス検出器から読み出し、既に入力してある設定値（二種類のパルスのどちらのパルスを先に又は後のするかを指定したパルス間の時間差）と比較処理することにより、二種類のパルスのどちらかを進める又は遅らせるかの信号をパルスジェネレータ５へ送る。 例えば、波高のパルスをＡ（レーザーＡからのパルス）、波高の高いパルスをＢ（レーザーＢからのパルス）とし、
パルスＢをパルスＡより時間ΔＴ遅らせたい場合を考えると、実測された２つのパルス間の時間差がΔｔであったとすると、Δｔが設定値ΔＴより大きかった場合、レーザーパルスＡを遅らせる、又はレーザーパルスＢを進ませる命令をパルスジェネレータ５へ送ることによって２つのレーザーパルス間の時間差を設定値に合わせることができる。

【００１８】パルスジェネレータ５は、マイクロコンピュータ４からの命令を受けて、２つのパルス間の時間差をマイクトコンピュータ４からの指令に合うように変化させて出力端子７、８からパルスレーザー光発生装置６
へ時間異相制御されたパルスを出力する。 エキシマレーザー６３、６４は、マイクロコンピュータ４により修正された制御信号をパルスジェネレータ５からコントローラ６１、６２を介して受け、その制御信号に基づいて発振時間の差を変化させて発振を行い、それに同期して色素レーザー６５、６６の発振時間の差も変化する。 色素レーザー６５から照射されたレーザーは、そのまま蒸発された２種以上の原子又は分子に照射され、色素レーザー６６から発せられたレーザーはミラーＭ１、Ｍ２を介して上記の原子又は分子に照射される。

【００１９】図２においては、色素レーザー６５からのレーザーと色素レーザー６６からのレーザーを高純度精製装置１に入射させる際に両者の入射に角度をもたせているが、必ずしもその必要はない。 むしろ、両者のレーザーの入射を重ねた方がイオン化効率は向上する。 その場合、ミラーＭ２をある波長領域のレーザー光は透過させるが、別の波長領域のレーザー光を反射するような誘電体多層膜を蒸着してあるダイクロックミラーを用い、
色素レーザー６５から照射するレーザーの光軸上に配置する。 高純度精製装置１から出たレーザーは、プリズム等の波長分別器により２つのレーザーを分離することになる。

【００２０】

【実施例】次に、前述のように構成した本発明のレーザーパルス制御による選択的光励起精製装置を用いた実施例を説明する。 反応容器中の蒸発源にＮｉ金属を充填し、それを加熱蒸発させて原子ビームを発生させた。 このＮｉ原子ビームにエキシマレーザー励起色素レーザー２台からのパルスレーザー光を照射し、前述の２段階励起過程とそれに続くイオン化により生成したイオンを２
次電子増倍管を使って検出した。 このイオン信号強度は、上記の２台の色素レーザーにより発射されたレーザーパルス光の時間差に依存し、この実験例では、２つのレーザーパルスが同時に上記原子ビームに入射したとき最も大きなイオン信号が観測された。 一方、２つのレーザーパルスが時間差をもって入射した場合、イオン信号の減少が観測された。 ここで前記レーザーパルス制御システムを用いて２台の色素レーザから出射されたレーザーパルスが同時に原子ビームに入射するようにシステムを設定して、前述の２段階励起過程を行わせ、発生したイオン信号を観測したところ、図３（ａ）に示すように長時間安定したイオン信号が観測された。 一方、上記レーザーパルス制御システムを使用しないで同様の２段階励起過程によるイオン信号を観測したところ、外部環境の変化に伴うレーザーの発振条件のゆらぎによって、出力された２つのレーザーパルスは原子ビームに同時に入射したり、時間遅れをもって入射したりするような入射時間にゆらぎが生じ、その結果、図３（ｂ）に示すように、パルス間の時間差が大きくなることによってイオン強度の減少が起こること伴う不安定なイオン信号の増減が観測された。 以上のように上記レーザーパルス制御システムによりレーザーパルスの時間制御を行うことによって、大きなイオン強度を保ったまま安定にイオンを発生することができることからイオン収率の向上につながる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、イオン化準位の高い原子も含めた巾広い物質について高純度の精製を行うことが可能となった。 又、高純度精製で多数のレーザー発生装置を使用する場合、レーザー発生装置間の発振開始時間を正確に制御することによって、レーザー光を有効に利用し、イオン収率の向上を図ることができる。 実際に出力されたレーザーパルス光を検出して時間遅延制御を行っているので、反応場に入射しているレーザー光の変化に正しく対応することができ、反応条件を一定に保持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｎｉのエネルギー準位を示す準位図。

【図２】本発明の選択的光励起精製装置の概略図。

【図３】レーザーパルス制御した場合（同図（ａ））と制御しなかった場合（同図（ｂ））のＮｉイオン強度の時間変化である。

【符号の説明】

１ 高純度精製装置 ２ 光電管 ３ パルス検出器 ４ マイクロコンピュータ ５ パルスジェネレータ ６ パルスレーザー光発生装置 ７、８ 出力端子 ６１、６２ コントローラ ６３、６４ エキシマレーザー ６５、６６ 色素レーザー