New research trend from laser isotope separation to advanced photon research in JAERI

西村 昭彦

Trends in Vacuum Science & Technology, Vol.4, p.55 - 60, 2001/00

原研におけるレーザー研究は近年大きな変化の流れにある。5年前には原研で原子法レーザー同位体分離法のための波長可変レーザー開発に力が注がれていた。しかし、現在ではコヒーレントなX線発生が重要となった。ここでは、初めに原子法レーザー同位体分離法における波長可変レーザーの応用について、特に基礎研究における応用例について著者の成果を紹介する。続いて、現在、関西研究所で行っている研究として、飽和フルエンスの高いレーザー媒質を用いた超高出力レーザーに関する要素技術開発について、これまでの成果を述べる。著者の研究テーマの変遷は、原研のレーザー研究そのものの大きな流れの変化である。

Enhancement of electron temperature in a laser-induced plasma using a radio-frequency electric field

大図 章; 鈴木 庸氏; 丸山 庸一郎; 有澤 孝

Physics of Plasmas, 7(2), p.770 - 772, 2000/02

https://doi.org/10.1063/1.873871

原子法レーザー同位体分離のレーザー誘起プラズマからのイオン回収過程では、イオンを電極上に回収することが重要となる。これを行うために電極に印加する電圧は、高電圧が必要となる。しかし、高電圧の回収には、電力コストの増大とスパッタリングの増加の問題が出てくる。レーザー誘起プラズマからイオンを高速に回収するために高電圧が必要な理由は、そのプラズマが低温であるためである。イオン回収は、プラズマの電子温度に大きく依存する。低電圧で効率良くイオン回収を行うためにレーザー誘起プラズマを高周波電場で加熱してプラズマ中の電子温度を増加させる試験を行った。その結果、電子温度は通常の約3倍に増加することがわかった。

共鳴イオン化生成プラズマから高周波電圧印加により引き出したイオンのエネルギー

柴田 猛順; 小倉 浩一

JAERI-Research 99-008, 10 Pages, 1999/02

JAERI-Research-99-008.pdf:0.86MB

共鳴イオン化により生成したネオジムプラズマに高周波電圧を印加して、イオンを引き出し、そのエネルギーを飛行時間法により測定した。回収電極に2MHz、振幅140Vの高周波電圧を印加したときのイオンエネルギーは54~65eVで、この値は高周波平行平板放電の解析値とほぼ一致した。これにより、原子法レーザー同位体分離で、高周波電圧印加により回収時間を短くできるだけでなく、回収イオンのエネルギーも低くできることが確認できた。

回収電極電流計測による光電離回収イオン量の測定

足立 肇; 小倉 浩一; 柴田 猛順

JAERI-Tech 97-021, 19 Pages, 1997/03

JAERI-Tech-97-021.pdf:0.81MB

原子法レーザー同位体分離ではレーザー光で共鳴イオン化した目的同位体をイオン回収電極で回収する。実機装置ではその回収量をモニタする必要がある。回収電極板に流れる電流を計測することにより回収されたイオンの総量を求める手法につき、その可能性を実験および解析により検討した。特に電極に回収されるイオンの電流に加えて回収電極表面に誘導される表面電荷による電流の影響を調べた。その結果、光電離生成イオン密度が高ければ誘導電流の割合は小さくほとんど無視でき、電極電流から目的同位体の回収イオンの電荷量を求めることが可能であることがわかった。

Removal of the plasma contained in an atomic beam produced by electron beam heating

大場 弘則; 西村 昭彦; 小倉 浩一; 柴田 猛順

Review of Scientific Instruments, 65(3), p.657 - 660, 1994/03

https://doi.org/10.1063/1.1145134

原子法レーザー同位体分離では電子ビーム加熱で生成した原子ビームにレーザー光を照射して目的同位体のみをイオン化して電極に回収する。原子ビームは蒸発部で発生したプラズマを含んでいるので、このプラズマが回収部に流れ込まないようにする必要がある。ここではガドリニウム原子ビームに含まれるプラズマの除去を、原子ビームに沿って設けた一対の平行平板電極に正あるいは負電圧を印加して行った。高密度蒸発時に除去電極に正電圧を印加するとプラズマは除去できなかった。一方、高い負電圧を印加すると高密度蒸発時でもプラズマは除去できた。プラズマを除去するのに必要な電位を、アース電位のプラズマが電子ビームとともに上方に流れる、プラズマから負電位の除去電極にイオンが引出される、というモデルをたてて推定したところ実験結果と良く一致した。

Time variation of surface temperature during electron beam evaporation

大場 弘則; 荒木 政則; 柴田 猛順

Japanese Journal of Applied Physics, 33(5A), p.L693 - L695, 1994/00

https://doi.org/10.1143/JJAP.33.L693

電子銃るつぼで発生させた原子ビームを原子法レーザー同位体分離の研究に用いているが、原子ビーム密度が100Hzで変動していることを経験している。このため銅の蒸発表面温度の時間変化測定を試み、原子ビーム密度の時間変化との関係を調べた。表面温度は高速度赤外温度計で、原子ビーム密度は四重極型質量分析計で測定した。その結果、蒸発面温度は周期的に変動しており、原子ビーム密度の変動周期と一致していた。さらに両者の変動の割合も一致していた。これは表面温度の時間変化が原子ビーム密度の時間変化を引起こしていることを示している。表面温度の時間変化は電子銃電源の50Hzの変動により、電子ビームスポット径、スポット位置がわずかに変化するために生じると考えられる。

Two-step selective photoionization of rubidium by using a Ti:sapphire laser

田村 浩司; 大場 正規; 有澤 孝

Applied Optics, 32(6), p.987 - 991, 1993/02

https://doi.org/10.1364/AO.32.000987

斜入射型共振器を用いた、チタンサファイアレーザー(TSL)により、ルビジウムの同位体(Rb,Rb)を選択的に励起、電離した。電離は2波長2段階で行い、選択励起にはTSLの基本波出力(~780nm)を、電離にはYAGレーザーの第3高調波を用いた。TSLの波長を掃引してルビジウムの蛍光、吸収スペクトルを測定したところ、2つの同位体の同位体シフトと、各同位体の超微細構造を分離して検出することができた。2段目レーザーを入射させて、イオンシグナルの波長依存性を測定したところ、各同位体が選択的に電離されていることがわかった。又、2段階のレート方程式により、光イオン化プロセスの解析を行った。これらにより、TSLにより、ルビジウムの同位体分離が可能であることが示された。

Ion collection from laser-induced plasma using positively biased wire electrode

小倉 浩一; 有澤 孝; 柴田 猛順

Japanese Journal of Applied Physics, 31(5A), p.1485 - 1490, 1992/05

https://doi.org/10.1143/JJAP.31.1485

原子法レーザー同位体分離では、レーザー誘起プラズマから、イオンをできるだけ速く、低い電圧で回収することが求められている。このため、アース電位の2枚の回収電極間に正電位の細線電極を入れてイオン回収の改良を試みた。ファラデーカップによるイオン信号測定の結果、細線電極に正電圧を印加する方法は2枚の電極に正負電圧を印加する従来法に比べ、同一電圧印加では、短い回収時間でイオン回収ができること、また、一定の時間内にイオンを回収するには低い電圧でよいことを明らかにした。

直接シミュレーションモンテ・カルロ法による原子ビーム中における原子間散乱の数値シミュレーション

蕪木 英雄; 西村 昭彦; 大場 弘則; 山本 浩康; 柴田 猛順

真空, 34(9), p.718 - 721, 1991/00

https://doi.org/10.3131/jvsj.34.718

原子法レーザー同位体分離のイオン回収過程では、目的同位体の濃縮を効率よく行うためレーザー光照射部の原子ビームの密度を増加させることが考えられている。一方原子ビームの密度を増加すると、中性原子の流れから原子同士の衝突により中性原子が回収板に付着して濃縮度を低下させることが報告されている。ところが、中性原子の付着量をどの様にすれば評価できるかについての報告はなされていない。ここでは回収板に入る原子がすべて回収板に平行に入った場合でも、それが速度分布を持つために、回収板間で原子同士の玉突き衝突が起こり、これにより原子が散乱されて回収板に付着すると考えた。これを直接シミュレーションモンテカルロ法により数値計算を行い回収板への付着量の評価を行った。その結果、原子蒸気密度が10cm程度になると回収板への中性原子の付着量が急激に増大することが明らかになった。

Laser Spectroscopy of Uranium Atom and Uranium Hexafluoride

有澤 孝; 丸山 庸一郎; 鈴木 庸氏; 加藤 政明; 成瀬 雄二

JAERI-M 83-124, 30 Pages, 1983/08

JAERI-M-83-124.pdf:0.73MB

レーザー光によりウランの同位体を分離する方法においては、まず、ウラン原子やウラン分子UFを波長可変でライン幅の狭いレーザーにて選択励起し、これらを何らかの方法にて固定することが行われる。こうした原子分子の選択励起が本方法において基本的な過程を明らかとするため分光測定を実施した。U原子については、原子励起実験セルを用いてウラン金属を蒸発させ原子ビームを作りこれに単色性の良いレーザー光を照射することによりウラン原子の蛍光および吸収スペクトルを高い分解能で得ると同時にこれらのデータより吸収断面積も計算した。またパルスレーザー光源を使用することによりその蛍光減衰から励起状態の寿命を求めた。次にUFについては、低温でのラマン分光を行いX-A遷移の吸収特性を測定しバイブロニック状態がプログレッションで生ずることを確認した。