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及び精製方法に関する。

【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】又、前記同位元素の分離方法においては、
輻射エネルギーの振動数の設定は、分離装置に輻射エネルギーの振動数を設定するための装置を取り付けることなく、別途、事前に測定された値を設定値としている。
しかし輻射エネルギーのエネルギー幅が非常に狭いため、輻射エネルギーの振動数の再現性、原子ビームの発生条件の変化など、僅かな条件変化によって輻射エネルギーの設定値が最適値から大きくはずれる場合がある。
さらに、上記同位元素の分離方法においては選択的励起過程は１段階のみである。 しかし、イオン化準位の非常に高い原子を効率よくイオン化するためには多段階の選択的励起過程を用いる必要があり、その場合、上記最適振動数の変動はさらに起こり易くなる。 輻射エネルギーの振動数を調整する方法として、輻射エネルギーの照射によって励起された原子又は分子からの蛍光を観測することによる振動数設定が可能であるが、レーザー光の散乱光が迷光として蛍光と共に観測され、該励起状態のエネルギー準位の位置の測定が困難になる。

【０００７】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、
収集する原子又は分子の選択的分離を行なわせるための輻射エネルギーの振動数を容易に設定するために、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。

【０００８】

【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、イオン検出装置を有し、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の輻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し、該イオン検出装置は、イオン化された物質を電界によって収集し、その強度を測定する手段を有することを特徴とする選択的光精製装置である。

【０００９】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、特定の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発生装置から輻射エネルギーが照射される。 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。

【００１０】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。

【００１１】本発明は、基底準位又は準安定準位から中間準位の１つとのエネルギー差に対応する振動数に一致するように、および該中間準位からさらに上の中間準位又はイオン化準位の１つとのエネルギー差に対応する振動数に一致するように、前記第１および第２の輻射エネルギーの振動数を決定するために、該輻射エネルギーの振動数変化に対応して変化する光イオン化によって発生したイオンを検出する装置を設けることにより達成できる。 本発明の装置は特定物質を効率よく高純度に分離することが可能であるので、イオン収集基板上に高純度の物質の薄膜を製造することができる。

【００１２】

【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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】次に図２を参照して、本発明の選択的光励起精製装置を説明する。 同図に示した選択的光励起精製装置において、原子ビーム１０、イオン偏向電極Ｇ１、
Ｇ２、基板ホルダー９、２次電子増倍管ＳＥＭ７、プリアンプ４、ロックインアンプ５で構成される電気信号処理システム、レーザー１、レーザー２を有するレーザー光発生装置（輻射エネルギー発生装置）を示すものである。 イオン検出装置は原子ビーム１０を挟むように配置された一対の偏向電極Ｇ１、Ｇ２と引出し電極Ｇ３及び２次電子増倍管ＳＥＭ７より成る。 その一対の偏向電極Ｇ１、Ｇ２に偏向電極Ｇ１の電位が偏向電極Ｇ２の電位より高くなるように電位勾配をつくる。 レーザー１及びレーザー２は原子ビーム１０に出射され、レーザー光によって光イオン化されたイオンを２Ｇ電子増倍管ＳＥＭ
７の方向へ押しやる。 それを引出し電極Ｇ３にかけられた電界によりイオン化領域から引出し、加速して２次電子増倍管ＳＥＭ７へ入射させる。 イオンは電気信号に変換され、プリアンプ４及びロックインアンプ５によって増幅されてレコーダー６により読み取られる。 イオン検出装置は、高純度化しようとする原子ビームをサンプリング的にレーザー光によりイオン化して検出し、レーザー光の振動数を目的とする原子の基底状態又は準安定状態から励起状態の１つとのエネルギー差に一致するように設定するために、高純度精製を開始する前又は途中で振動数が何等かの理由でシフトした場合に、所定の振動数に再調整するため等に使用される。 そのため、イオン検出装置は原子ビーム１０をはさんで基板ホルダー９と反対の位置に設置する。 レーザー光の振動数を調整するときは、一対の偏向電極のうち偏向電極Ｇ１の電位が偏向電極Ｇ２の電位より高くなるように電位勾配をかける。 一方、イオン化された物質を基板ホルダー９に設置された基板９１上に集めるときは、逆に偏向電極Ｇ２の電位が偏向電極Ｇ１の電位より高くなるように電位勾配をかける。 このようにイオンの偏向方向を電界により指定することによって、レーザー光振動数の調整又はイオン捕集を容易に行うことができる。 次に、前述のように構成した本発明の光イオン検出装置を備えた選択的光励起精製装置を用いた実施例を説明する。

【００１６】

【実施例】反応容易の中の蒸発源（図示せず）にＮｉ金属を充填し、それを加熱蒸発させて原子ビーム１０を発生させた。 蒸発源は、ツルボ内に不純物含有の原料を入れ、高速電子ビーム等の照射によって原料を加熱蒸発せしめるものであり、図２の平面図中紙面と垂直方向において原子ビーム１０の位置の下方に設けられており、原子ビーム１０は下方から上方に向かう（図２の紙面と垂直方向であって奥から手前方向）。 この原子ビーム１０
にレーザー１、２を照射する。 レーザー１、２はいずれもエキシマレーザー励起による色素レーザーであって、
発射されたレーザーはパルスレーザー光である。 前述の２段階励起過程とそれに続くイオン化により原子ビーム１０中の目的とする原子のみをイオン化する。 原子ビーム１０とパルスレーザー光とによって作られる平面に対して垂直方向（図２の左右方向）にイオン検出装置を配し、原子ビーム１０を挟む形で配された一対の偏向電極Ｇ１、Ｇ２に電界をかけることにより、レーザー光によりイオン化した原子イオンを２Ｇ電子増倍管ＳＥＭ７へ向けて加速した。 加速されたイオンは平行イオンビームとなり、２次電子増倍管ＳＥＭ７により電気パルス信号として検出した。 この電気信号をプレアンプ４で増幅し、ロックインアンプ５によりイオン信号のみを取り出しレコーダ６に記録した。 このようにイオン信号を検出している状態で上記２段階励起過程の第２段の励起を行っているパルスレーザー光の波長を変化させてイオン信号の変化を観測した。 その結果、図３に見られるような光イオン化スペクトルが得られた。 レーザーの波長がＮ
ｉの励起状態ｅ ³ Ｆ ₄ 、ｆ ³ Ｄ ₂ 、ｅ ³ Ｆ ₃に共鳴したとき大きなイオン信号が観測された。 レーザー波長（振動数）を容易にｅ ³ Ｆ ₄のピークの位置に設定し、前述の一対の偏向電極Ｇ１、Ｇ２の電界の方向を逆にし、前述の２段階励起過程により基板ホルダー９上に設置した基板９１上にイオンを収集した。 上記２台のエキシマレーザー励起色素レーザーからの２波長のレーザー光を、
周波数１００Ｈｚ、１日５時間で５日間、Ｎｉの原子ビームに繰り返し照射した結果、約１００ｍｇの高純度化Ｎｉを得た。

【００１７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
高純度精製で使用するレーザー光の振動数を設定する際、イオン検出装置を高純度精製装置に取り付けた状態で高純度精製を行うのでレーザー光の振動数設定及び調整が容易である。 蛍光観測によるレーザー光の振動数設定と違って、レーザー光の散乱光の影響を受けない。 イオンを高速に加速して２次電子増倍管により検出するので感度が非常に高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】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。

【図２】本発明の選択的光励起精製装置の概略図。

【図３】光イオン検出装置により検出したＮｉの励起状態である。

【符号の説明】

１、２ レーザー ３ コントローラ ４ プリアンプ ５ ロックインアンプ ６ レコーダ ７ ２次電子増倍管ＳＥＭ ８ 分離室 ９ 基板ホルダー ９１ 基板 Ｇ１、Ｇ２、Ｇ４ 偏光電極 Ｇ３ 引出し電極