特許 6869846 多重反射セル及び同位体濃縮装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6869846

(24)【登録日】2021年4月16日

(45)【発行日】2021年5月12日

(54)【発明の名称】多重反射セル及び同位体濃縮装置

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/12 20060101AFI20210426BHJP

   B01D 59/34 20060101ALI20210426BHJP

   C01B 13/02 20060101ALI20210426BHJP

【ＦＩ】

   B01J19/12 B

   B01D59/34 B

   C01B13/02 Z

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-147369(P2017-147369)

(22)【出願日】2017年7月31日

(65)【公開番号】特開2019-25415(P2019-25415A)

(43)【公開日】2019年2月21日

【審査請求日】2020年5月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100127845

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 壽彦

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 健大

(72)【発明者】

【氏名】神邊 貴史

【審査官】 壷内 信吾

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−０８７１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１２１９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７１８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０３５９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０８０２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２６６７０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−２６１７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３０３６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｊ１０／００−１２／０２，１４／００−１９／３２

Ｂ０１Ｄ５９／００−５９／５０

Ｃ０１Ｂ１３／００−１３／３６

Ｇ０１Ｎ２１／０３−２１／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有し、前記容器内にレーザ光を入射し、該入射したレーザ光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行う多重反射セルであって、
前記凹面ミラーの反射面付近にあるガスを吸い込んで前記容器外へと排気する吸込排気手段を備えたことを特徴とする多重反射セル。

【請求項2】

前記吸込排気手段は、ガス吸込ノズルを有し、該ガス吸込ノズルは、その向きを変更可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載の多重反射セル。

【請求項3】

前記吸込排気手段により排気された前記ガスから前記試料ガスを分離して回収する分離回収手段を有し、
該回収した試料ガスを前記容器に再度供給するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の多重反射セル。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の多重反射セルと、オゾンを主成分とする原料ガスの供給を受けて、該原料ガスに含まれる酸素ガスを除去してオゾンガスを精製するオゾン精製手段を備え、該精製したオゾンガスを試料ガスとして前記容器に供給して光反応により酸素の同位体を濃縮する同位体濃縮装置であって、
前記吸込排気手段により排気された前記ガスを前記オゾン精製手段に戻すようにしたことを特徴とする同位体濃縮装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、向かい合わせに配置された複数の凹面ミラーの間でレーザ光を複数回反射させて光反応を行う多重反射セル、及び、光反応により酸素同位体を濃縮する同位体濃縮装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、容器内のガスに特定の波長のレーザ光を照射し、特定のエネルギー準位間の光学遷移を誘起することで光反応を引き起こす技術が広く用いられている。例えば、特許文献１には、酸素原子の同位体である¹⁸Oを含むオゾン分子（¹⁶O¹⁶O¹⁸O）に特定の周波数（波長）のレーザ光を照射し、¹⁸Oを濃縮する技術が開示されている。

【0003】

このような光反応を引き起こす技術においては、レーザ光が光反応にどれだけ用いられたかを示す「光利用率」を高めることにより、投入エネルギーに対する成果を示す「エネルギー収率」が向上する。「光利用率」を高める代表的な方法として、レーザ光と反応対象ガスが接する経路の長光路化が挙げられる。
長光路化の方法としては、単純に反応が行われる容器の長さをレーザ光の照射方向に沿って直線上に延長することが挙げられるが、この場合、容器の大きさや、設置スペース等の観点から限度がある。そのため、複数枚の凹面ミラーを向い合せに設置し、当該凹面ミラー間にレーザ光を複数回反射させて長光路化を達成する方法が一般的に用いられている。そして、凹面ミラー間を所定回数反射したレーザ光は、レーザ透過窓を通して容器の外に導かれ、検出器で検出される。

【0004】

このように凹面ミラーを配置してレーザ光を複数回反射させる構造は、一般に、多重反射セル（又は多重反射容器）などと呼ばれる。特許文献２には、筐体に複数の凹面ミラーが配置され、該凹面ミラーの間で光ビームを多重反射させる試料セルが開示されている。
通常、凹面ミラー表面（反射面）においては入射したレーザ光の一部が拡散するため、凹面ミラーの反射面におけるレーザ光の反射点が光点となってカメラ等で観察することができる。そのため、多重反射セルにおいては凹面ミラーの反射面に複数の光点が観察され、これらの光点群をスポットパターンと呼ぶ。そして、このようなスポットパターンを確認することによって、凹面ミラー間においてレーザ光が所定の回数反射するように、凹面ミラーの位置及び向きの調整を行うことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第４３６４５２９号公報

【特許文献2】特開平８−３５９２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一般的に、凹面ミラーによりレーザ光を反射させる場合、凹面ミラーの反射面に入射したレーザ光の一部のエネルギーはロスとなって反射されないことが知られている。このエネルギーロスの一部は凹面ミラーに吸収され熱に変換される。
多重反射セルに光反応対象物としてオゾンガス（注：オゾンの爆発下限界を緩和するために希ガス等の添加ガスを加えることが一般的であるが、説明のため『オゾンガス』と記載する）を供給し、凹面ミラー間で多重反射したレーザ光を用いてオゾン分子(例：¹⁶O¹⁶O¹⁸O)を光反応により分解して酸素同位体¹⁸Oの濃縮を行う場合、凹面ミラーの反射面に入射したレーザ光が熱に変換されると、この熱により凹面ミラーの反射面に接触したオゾンが熱分解されてしまう。

【0007】

しかしながら、オゾンの熱分解は、¹⁸Oを含むオゾン分子だけでなく、¹⁸Oを含まない他のオゾン分子についても生じる非同位体選択的な反応である。このため、熱分解によって¹⁸O酸素同位体の濃縮は起こらず、容器内に供給されたオゾンガスの約99.8%の成分を占める¹⁶O¹⁶O¹⁶Oが熱分解して酸素分子¹⁶O¹⁶Oが大量に生成してしまう。
そして、オゾンの熱分解によって¹⁶O¹⁶Oが大量に生成すると、光反応により生成した¹⁸Oを含む酸素分子（例えば¹⁶O¹⁸O）が希釈されてしまい、酸素同位体¹⁸Oの濃縮を妨げる大きな原因となっていた。

【0008】

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、凹面ミラーの反射面での試料ガスの熱分解により、光反応により生成したガスが希釈されるのを防ぐことができる多重反射セル及び同位体濃縮装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

（１）本発明に係る多重反射セルは、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有し、前記容器内にレーザ光を入射し、該入射したレーザ光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行うものであって、前記凹面ミラーの反射面付近にあるガスを吸い込んで前記容器外へと排気する吸込排気手段を備えたことを特徴とするものである。

【0010】

（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記吸込排気手段は、ガス吸込ノズルを有し、該ガス吸込ノズルは、その向きを変更可能に設けられていることを特徴とするものである。

【0011】

（３）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記吸込排気手段により排気された前記ガスから前記試料ガスを分離して回収する分離回収手段を有し、該回収した試料ガスを前記容器に再度供給するようにしたことを特徴とするものである。

【0012】

（４）本発明に係る同位体濃縮装置は、上記（１）又は（２）に記載の多重反射セルと、オゾンを主成分とする原料ガスの供給を受けて、該原料ガスに含まれる酸素ガスを除去してオゾンガスを精製するオゾン精製手段を備え、該精製したオゾンガスを試料ガスとして前記容器に供給して光反応により酸素の同位体を濃縮するものであって、前記吸込排気手段により排気された前記ガスを前記オゾン精製手段に戻すようにしたことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明においては、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有し、前記容器内にレーザ光を入射し、該入射したレーザ光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行うものであって、前記凹面ミラーの反射面付近にあるガスを吸い込んで前記容器外へと排気する吸込排気手段を備えたことにより、前記凹面ミラーの反射面における前記試料ガスの熱分解により発生する希釈物によって光反応により生成した生成物が希釈されるのを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施の形態１に係る多重反射セルを説明する図である。

【図2】本実施の形態１に係る多重反射セルにおいて、ガス吸込ノズルの設置位置を説明する図である。

【図3】本実施の形態２に係る同位体濃縮装置を説明する図である。

【図4】本実施の形態２に係る同位体濃縮装置の具体的な構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係る多重反射セル１は、図１に示すように、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器３と、容器３の内部に収容されて対向して配設した２枚の凹面ミラー５及び７を有し、容器３内にレーザ光を入射し、該入射したレーザ光を凹面ミラー５及び７の間で複数回反射させて光反応を行うものであって、凹面ミラー５の反射面５ａ及び凹面ミラー７の反射面７ａの付近にあるガスを吸い込んで容器３外へと排気する吸込排気手段としてガス吸込ノズル９及び排気配管１１を備えたものである。

【0016】

以下、多重反射セル１の各構成を詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示されている場合があるが、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

【0017】

＜容器＞
容器３は、筒状のものであり、内部に凹面ミラー５及び７を収容する。容器３には、レーザ光源１３から出射したレーザ光が透過するレーザ透過窓１５と、レーザ透過窓１５を通して照射されたレーザ光を凹面ミラー７に向かって反射させるガイドミラー１７が設けられている。

【0018】

容器３内において所定の回数反射したレーザ光は、ガイドミラー１７に再び入射して反射した後、レーザ透過窓１５を通して容器３外へと出射する。図１に示す多重反射セル１においては、容器３から出射したレーザ光を検出する検出器１９が設置されている。

【0019】

さらに、容器３には、ガス導入管２１及びガス導出管２３がそれぞれ接続し、光反応に供される試料ガスはガス導入管２１を経て容器３内に導入され、光反応した後の試料ガスはガス導出管２３を経て容器３外に導出される。

【0020】

本実施の形態１において、容器３には、外径300mm、厚さ4mm、長さ1000mmのSUS304製の鋼管を用いているが、容器３のサイズ及び材質はこれに限定されることではなく、任意に選択することができる。
また、レーザ透過窓１５には直径34mm、厚さ2mmのコバール製を、ガイドミラー１７には直径5mm、反射角度45度の合成石英製を用いているが、レーザ透過窓１５およびガイドミラー１７のサイズや材質はこれらに限定されるものではなく、任意に選択することができる。

【0021】

＜凹面ミラー＞
凹面ミラー５及び７は、凹形状の反射面５ａ及び７ａをそれぞれ有し、入射したレーザ光を反射面５ａ及び７ａにおいて複数回反射させるため、凹面ミラー５と凹面ミラー７が向かい合わせに対向して設けられている。

【0022】

本実施の形態１において、凹面ミラー５及び７は、直径200mm、厚さ23mmの合成石英製のものを用い、凹面ミラー５と凹面ミラー７との間の凹面ミラー間距離は760mmとした。また、凹面ミラー５及び７の反射率は99%である。

【0023】

なお、凹面ミラー５及び７は、球面ミラーに限らず、多重反射を構成するミラーであれば形状を制限するものではなく、シリンドリカルミラーや平板ミラーなどであってもよい。さらに、凹面ミラー５及び７の直径、厚さや凹面ミラー間距離についても上記に限定されるものではなく、任意の形状（直径、厚さ等）と距離を選択することができる。

【0024】

＜ミラー固定部材＞
ミラー固定部材２５は、凹面ミラー５及び７の背面側を保持し、容器３に固定するものである。凹面ミラー５及び７は、ミラー固定部材２５により位置（凹面ミラー間距離）及び向き（あおり方向、首振り方向）が固定された状態で容器３の内部に設置される。
ミラー固定部材２５は、図１に示すように、凹面ミラー５及び７それぞれの位置及び向きを厳密に調節するミラー調節機構２７が接続されているものであることが好ましい。この場合、凹面ミラー５及び７それぞれの位置（ミラー間方向、鉛直方向）及び向き（あおり方向及び首振り方向）がミラー調節機構２７により調節される。

【0025】

＜ガス吸込ノズル＞
ガス吸込ノズル９は、凹面ミラー５および７の反射面５ａおよび７ａ付近にあるガスを吸い込むものであり、図１に示すように、凹面ミラー５および７の反射面５ａおよび７ａ側に設置され、排気配管１１が接続されている。
ここで、反射面５ａおよび７ａ付近にあるガスとは、容器３に供給された試料ガスと、該試料ガスの光反応により生成した生成ガスと、試料ガスが反射面５ａ及び７ａに接触して主に熱分解反応により熱分解した熱分解ガスとを含むものである。

【0026】

ガス吸込ノズル９は、反射面５ａ及び７ａ付近にあるガスを効率よく吸い込むことができるように、その向きを適宜調節して変更可能に設置することが望ましい。

【0027】

図２に、ガス吸込ノズル９を反射面５ａ付近に設置した一例を示す。図２において、ガス吸込ノズル９は、反射面５ａの上下左右の４方向に配置されており、ガス吸込ノズル９の吸込口は、凹面ミラー５の中心軸方向に向けられている。
図２に例示するように、複数のガス吸込ノズル９を設置する場合、反射面５ａ付近のガスの吸込量に片寄りが生じないように、反射面５ａの中心に対して点対称となるようにガス吸込ノズル９が設置されていることが望ましい。もっとも、ガスの吸込量をガス吸込ノズル９毎に個別に調整できる場合は、この限りではない。

【0028】

＜排気配管＞
排気配管１１は、ガス吸込ノズル９により吸い込んだ反射面５ａ及び７ａ付近のガスを容器３外に排気するものである。
本実施の形態１において、排気配管１１には、SUS304製のステンレス配管を用いたが、材質はこれに限定されるものではなく、試料ガスや光反応により生成した生成ガスに反応しない材質であれば、任意の材質を選択することができる。また、排気配管１１の途中に、排気ガスの流量を制御するための調整弁（図示なし）が設けられていてもよい。

【0029】

次に、本発明に係る多重反射セルを用いたレーザ光反応方法について、図１に示す多重反射セル１を用い、オゾンを原料ガスとして酸素同位体¹⁸Oを光反応により濃縮する場合を例として、以下に説明する。

【0030】

まず、容器３の外部にレーザ光源１３を設置する。本実施の形態１では、レーザ光源１３として半導体レーザを用いた。ここで、レーザ光の強度は0.3Wとし、レーザ光の波長はオゾン中の同位体成分である¹⁶O¹⁶O¹⁸Oのみを分解する992nmとした。

【0031】

次に、ミラー調節機構２７が接続されているミラー固定部材２５により、凹面ミラー５の反射面５ａと凹面ミラー７の反射面７ａとが対向するように、容器３内に固定する。
そして、凹面ミラー５および７の位置及び向きをミラー調節機構２７により厳密に調節する。ここでは、凹面ミラー間距離を760mmに設定し、この時の凹面ミラー５及び７の間におけるレーザ光の反射回数は約160回である。

【0032】

そして、レーザ光源１３からレーザ光を出射し、レーザ透過窓１５を通して容器３の内部に導入する。容器３内に導入されたレーザ光は、ガイドミラー１７により凹面ミラー７側に反射される。そして、凹面ミラー５及び７の間を所定回数（＝約160回）反射したレーザ光は、再びガイドミラー１７に入射してレーザ透過窓１５に向かって反射し、レーザ透過窓１５を通して容器３外へと出射する。

【0033】

凹面ミラー５及び７の間におけるレーザ光の反射回数は、凹面ミラー７の反射面７ａに照射されたレーザ光のスポットパターンを図示しないカメラ等で撮影することにより計測することができる。

【0034】

撮影したスポットパターンにより凹面ミラー５及び７の位置及び向きが調節されていることを確認した後、レーザ光源１３からのレーザ光の出射を停止する。そして、図示しない真空ポンプにより、ガス導出管２３を経て容器３内を真空引きした後、光反応の原料ガスであるオゾンをガス導入管２１から容器３内に導入する。

【0035】

同時に、ガス吸込ノズル９から反射面５ａ及び７ａ付近のガスを吸い込み、排気配管１１を経て排気する。ここで、吸込口の形状が□3×200mmであるガス吸込ノズル９を凹面ミラー５及び７それぞれの上下に設置し、反射面５ａ及び７ａ付近のガスを均一に排気できるようにした。

【0036】

最後に、レーザ光源１３からレーザ光を出射し、レーザ透過窓１５を通してレーザ光を容器３に導入することで、オゾンの光反応を行う。

【0037】

このとき、凹面ミラー５の反射面５ａ及び凹面ミラー７の反射面７ａ付近のガスがガス吸込ノズル９と排気配管１１により容器３外へ排気されることにより、反射面５ａ及び７ａ表面でのオゾンの熱分解により生成する熱分解ガスである酸素分子が、光反応により生成した生成ガスである酸素同位体¹⁸Oを希釈することを防ぎ、酸素同位体¹⁸Oの濃縮度を上げることができる。

【0038】

ここで、酸素同位体¹⁸Oの濃縮度は、以下のように推算することができる。
酸素原子の同位体である¹⁸Oを含むオゾン分子（¹⁶O¹⁶O¹⁸O）に特定の周波数のレーザ光を照射したときの¹⁸Oの濃縮は、以下の反応機構に従うことが知られている（特許文献２参照）。

【0039】

まず、¹⁸Oを含むオゾン分子O₃（例えば¹⁶O¹⁶O¹⁸O）にレーザ光が照射されると、式（１）のように、１個の酸素分子と１個の酸素原子に解離する。
O₃＋ 「レーザ光照射」 → O₂ ＋ O ・・・・・（１）
式（１）の反応で生成された酸素原子Oはエネルギーを得ているため、式（２）のように、周りに存在するオゾン分子O₃をいくつか分解する。
O ＋ nO₃ → 0.5（1＋3n）O₂ ・・・・・（２）

【0040】

式（２）において、nは巻き込み係数と呼ばれる。仮にn＝5であった場合、レーザ光照射により1個のオゾン分子が分解されると、式（２）により5個のオゾン分子が分解されるため、式（１）と式（２）の反応により計6個のオゾン分子（¹⁸Oの自然存在割合は約0.2%であることから、ほぼすべてが¹⁶O¹⁶O¹⁶O）が分解され、9個の酸素分子O₂が生成する。
このとき、生成した9個の酸素分子に含まれる¹⁸O濃度は、約5.6%となり、¹⁸Oの自然存在割合（＝約0.2%）との比較より、約28倍の濃縮効果に相当する。

【0041】

次に、レーザ光によるオゾン分子の分解量を試算する。
本発明の実施の形態に係る多重反射セル１を用いた酸素同位体¹⁸Oの濃縮において、容器３内のオゾンの圧力を-60kPaG、温度を-60℃、レーザ光のエネルギーを0.3W、波長を992nm、¹⁸Oの自然存在割合0.2%とし、これらの条件からレーザ光によるオゾン分子の分解量を試算すると、8.48×10^-9 [mol/sec]となる。ここで、凹面ミラー間距離は760mmである。

【0042】

式（２）における巻き込み係数がn＝5であった場合、酸素分子O₂の製造量は、
8.48×10^-9×9＝7.63×10^-8 [mol/sec] ・・・・・（３）
となる。

【0043】

一方、比較対象として、凹面ミラーの反射面付近のガスを排気しない従来の多重反射セルによる酸素同位体¹⁸Oの濃縮効果を算出した。
凹面ミラーの反射率が99%である場合、１回目の反射で0.3Wのレーザ光のうち、
0.3×0.99＝0.297 [W] ・・・・・（４）
が反射され、
0.3−0.297＝0.003 [Ｗ] ・・・・・（５）
が、凹面ミラーでのロスとなる。
よって、凹面ミラー間で160回の反射が生じた場合におけるロスの総和は、
0.3×（１−0.99¹⁶⁰）＝0.24 [W] ・・・・・（６）
となる。このロスの総和のうち、約25％が凹面ミラーの反射面において熱に変換される。
熱によりオゾン分子を分解するのに必要なエネルギーは101kJ/molであることから、凹面ミラーの反射面において熱分解するオゾンの量は、
0.24×0.25／（101×10³）＝5.94×10^-7 [mol/sec] ・・・・・（７）
となる。

【0044】

さらに、オゾンの熱分解により製造される酸素分子O₂の製造量を求めると、熱分解反応においてはオゾン分子1個から酸素分子は1.5個製造されることから、
5.97×10^-7×1.5＝8.96×10^-7 [mol/sec] ・・・・・（８）
となる。

【0045】

よって、従来の多重反射セルを用いた場合における¹⁸O濃度は、
（0.002×8.96×10^-7＋0.056×7.63×10^-8）／（8.96×10^-7＋7.63×10^-8）＝0.0062＝0.62% ・・・（９）
となる。

【0046】

これは、¹⁸Oの自然存在割合である約0.2％と比較すると、約3倍の濃縮効果となる。
つまり、実施の形態１に係る多重反射セル１を用いてオゾンを光反応させて酸素同位体¹⁸Oを濃縮する場合、凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａ付近のガスを排気し、熱分解反応により生成した酸素分子による希釈を防止することにより、従来の多重反射容器を用いた場合と比較すると、5.6%/0.62%＝約9倍の¹⁸Oの濃縮効果が得られることが示唆される。

【0047】

なお、本発明に係る多重反射セルは、光反応により生成された同位体濃縮酸素ガスが、反射面での熱分解により発生した酸素ガスにより希釈されることを防ぐために、反射面付近のガスを吸い込んで排気するものであるが、反射面での熱分解により発生する同位体希釈酸素ガスの90%以上を排気するためには、排気流量は、容器に流入するオゾンの流量の1/20以上であることが望ましく、これよりも小さいと、同位体希釈酸素ガスと同位体濃縮酸素ガスとの混合が進んでしまう。

【0048】

さらに、本発明に係る多重反射セルは、吸込排気手段により排気されたガスを、別途設けた分離回収手段へ供給し、該分離回収手段により、排気されたガスから試料ガスを分離して回収し、該回収した試料ガスを容器に再度供給するようにしてもよい。
なお、分離回収手段としては、蒸留塔を使用することができる。

【0049】

また、上記の説明において、吸込排気手段は、ガス吸込ノズル９と排気配管１１からなるものであったが、吸込排気手段は、ガス吸込ノズル９を備えていなくてもよく、この場合には、排気配管１１の端部が凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａの付近に位置するように設置し、排気配管１１の端部からガスを吸い込んで排気するようにすればよい。

【0050】

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る同位体濃縮装置について説明する。
本実施の形態２に係る同位体濃縮装置３１は、図３に示すように、実施の形態１に係る多重反射セル１と、オゾンを主成分とする原料ガスを供給する原料ガス供給手段３３と、原料ガス供給手段３３から原料ガスの供給を受けて該原料ガスに含まれる不純物（酸素ガスなど）を除去してオゾンを精製するオゾン精製手段３５を備え、該精製したオゾンを試料ガスとして容器３に供給して光反応により酸素同位体¹⁸Oを濃縮するものであって、排気配管１１により排気された反射面５ａ及び７ａ付近のガスを、吸引手段３７を用いてオゾン精製手段３５に戻すようにしたものである。さらに、同位体濃縮装置３１は、多重反射セル１で濃縮された酸素同位体¹⁸Oを分離する分離手段３９を備えている。

【0051】

同位体濃縮装置３１の具体的な全体構成としては、図４に示す同位体濃縮装置４１が例示できる。
同位体濃縮装置４１は、原料ガス供給手段３３（図３）としてオゾナイザ４３と、オゾン精製手段３５（図３）として第１蒸留塔４５と、吸引手段３７（図３）として熱交換器４７及びポンプ４９と、分離手段３９（図３）として第２蒸留塔５１を備えてなるものである。以下、同位体濃縮装置４１の各構成と、同位体濃縮装置４１を用いてオゾンを原料ガスとして酸素同位体¹⁸Oが濃縮した酸素ガス（以下、「同位体濃縮酸素ガス」という）を製造する場合について説明する。ただし、多重反射セル１については、前述の実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。

【0052】

オゾナイザ４３は、原料酸素ガスＧＯの供給を受けてオゾンを発生させるものであり、オゾナイザ４３に供給された原料酸素ガスＧＯはオゾンに転化され、第１蒸留塔４５に送られる。

【0053】

第１蒸留塔４５は、オゾナイザ４３で発生したオゾンとオゾンに転化せず残留した酸素ガスとを分離するものであり、第１蒸留塔４５の上昇ガスを凝縮して還流液を得るための第１コンデンサ５３と、塔底部にたまった液を加熱して上昇ガスを得るための第１リボイラ５５とにより、原料ガスの蒸留操作を行う。

【0054】

この蒸留操作により、第１蒸留塔４５の塔頂側に低沸点成分である酸素ガスが、塔底側に高沸点成分であるオゾンが濃縮し、原料ガスからオゾンが分離されて精製される。

【0055】

精製したオゾンは、光反応を行う多重反射セル１に試料ガスとして導入される。また、塔頂部側に分離した酸素ガスは、圧縮機５７によりオゾナイザ４３に供給され、原料酸素ガスＧＯとともに再度オゾンに転化される。

【0056】

多重反射セル１に導入されたオゾンは、凹面ミラー５及び７の間で形成されるレーザ多重反射光路において、前述の式（１）の反応により同位体濃縮酸素ガスが生成する。
一方、凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａの表面ではオゾンの熱分解により、非同位体選択的に酸素ガス（以下、「同位体希釈酸素ガス」という）が生成し、熱分解反応前後での酸素同位体濃度には変化がない。そのため、同位体希釈酸素ガスが光反応により生成した同位体濃縮酸素ガスと混合すると、同位体濃縮酸素ガスが希釈されて¹⁸O濃度を低下させてしまう。

【0057】

これを防ぐため、ガス吸込ノズル９により反射面５ａ及び７ａ近傍のガスを吸い込み、排気配管１１を経て排気させる。排気流量は、流量計５９の指示値を確認しながら、バルブ６１で調整する。同位体希釈酸素ガスの90%以上を排気するためには、排気流量は容器３に流入する試料ガス（オゾン）の流量の1/20以上であることが望ましい。排気流量がこれよりも小さいと、同位体希釈酸素ガスと同位体濃縮酸素ガスとの混合が進んでしまう。

【0058】

ガス吸込ノズル９及び排気配管１１により吸い込まれて排気された反射面５ａ及び７ａ付近のガスは、液体窒素などの低温流体を冷媒とする熱交換器４７に引き込まれて凝縮され、その凝縮液はポンプ４９により第１蒸留塔４５に送液される。そして、第１蒸留塔４５において、排気されたガスに含まれるオゾンが塔底部側に、前記ガスに含まれる酸素ガスが塔頂部側に分離される。そして、塔底部側に分離されたオゾンは、原料ガスから精製したオゾンとともに多重反射セル１に導入される。これに対し、塔頂部側に分離された酸素ガスは圧縮機５７によりオゾナイザに送られて再び原料酸素ガスＧＯとして利用される。

【0059】

さらに、多重反射セル１での光反応により得られた同位体濃縮酸素ガスは、第２蒸留塔５１に送られる。
第２蒸留塔５１においては、還流液を得るための第２コンデンサ６３と、上昇ガスを得るための第２リボイラ６５とによる蒸留操作により、残留オゾンＯｚが塔底部側に分離され、同位体濃縮酸素ガスが塔頂部側に分離して製品酸素ガスが得られる。

【0060】

以上、本実施の形態２に係る同位体濃縮装置４１によれば、多重反射セル１内で非同位体選択的に生成した同位体希釈酸素ガスを排気することで、同位体濃縮酸素ガスの希釈を防いで製品として取り出すことができる。さらに、排気したガスに含まれるオゾンを回収して再利用することができる。

【0061】

なお、上記の説明において、排気したガスは、熱交換器及びポンプで凝縮して送液するものであったが、排気したガスを圧縮機などで昇圧して送ガスするものであってもよい。ただし、排気したガスに含まれるオゾンが圧縮されることにより昇温し、一部分解して連鎖的反応となる恐れがあることに注意する必要がある。

【0062】

また、第１蒸留塔４５及び第２蒸留塔５１には、規則充填物を用いた充填塔を用いることが好ましいが、本発明に係る同位体濃縮装置のオゾン精製手段及び分離手段としては、不規則充填物を用いた充填塔や棚段塔を用いてもよい。
さらに、第１蒸留塔４５及び第２蒸留塔５１は、オゾンを含むガスを液化可能な低温条件で保持されるが、多重反射セル１と第１蒸留塔４５、及び、多重反射セル１と第２蒸留塔５１のそれぞれを接続する配管や、第１蒸留塔４５の塔底側からオゾンガスを抜き出す配管は、オゾンの自己分解を抑制するために低温で冷却することが好ましく、特に-50℃以下に冷却することが望ましい。

【符号の説明】

【0063】

１ 多重反射セル
３ 容器
５、７ 凹面ミラー
５ａ、７ａ 反射面
９ ガス吸込ノズル
１１ 排気配管
１３ レーザ光源
１５ レーザ透過窓
１７ ガイドミラー
１９ 検出器
２１ ガス導入管
２３ ガス導出管
２５ ミラー固定部材
２７ ミラー調節機構
３１ 同位体濃縮装置
３３ 原料ガス供給手段
３５ オゾン精製手段
３７ 吸引手段
３９ 分離手段
４１ 同位体濃縮装置
４３ オゾナイザ
４５ 第１蒸留塔
４７ 熱交換器
４９ ポンプ
５１ 第２蒸留塔
５３ 第１コンデンサ
５５ 第１リボイラ
５７ 圧縮機
５９ 流量計
６１ バルブ
６３ 第２コンデンサ
６５ 第２リボイラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】