(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学式ＳｉＸ３−ＣＹ２−ＣＺ３またはＳｉＸ３−ＣＹ＝ＣＺ２で表される化合物（ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、それぞれ同一でも異なるものであってもよく、ハロゲン原子、Ｈ、およびアルキル基からなる群から選ばれ、Ｚは最低１個のハロゲン原子とその他Ｈあるいはアルキル基である）からなる同位体分離用の作業物質にレーザー光を照射して、特定Ｓｉ同位体原子を含む作業物質のみを解離することによって、標的となるＳｉ同位体原子を解離生成物中あるいは非解離作業物質中に濃縮する工程を含むことを特徴とする、同位体分離法。
【請求項２】
請求項１において、ＹがＨあるいはアルキル基である、同位体分離法。
【請求項３】
請求項１または２において、前記作業物質が、ＳｉＦ３−ＣＨ２−ＣＨ２Ｆ、ＳｉＦ３−ＣＨ２−ＣＨＦ２、ＳｉＦ３−ＣＨ２−ＣＦ３、およびＳｉＦ３−ＣＨ＝ＣＨＦからなる群から選ばれる少なくとも１種である、同位体分離法。
【請求項４】
請求項１において、前記作業物質が、ＳｉＦ３−ＣＨＦ−ＣＨ２Ｆ、ＳｉＦ３−ＣＨＦ−ＣＨＦ２、ＳｉＦ３−ＣＨＦ−ＣＦ３、ＳｉＦ３−ＣＦ＝ＣＨＦ、ＳｉＦ３−ＣＦ２−ＣＨ２Ｆ、ＳｉＦ３−ＣＦ２−ＣＨＦ２、およびＳｉＦ３−ＣＦ２−ＣＦ３からなる群から選ばれる少なくとも１種である、同位体分離法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、多波長の赤外レーザーの各波長それぞれを同時もしくは一定の時間遅延を持たせて照射することによって、作業物質の解離効率および同位体選択性を向上させたことを特徴とする、同位体分離法。
【請求項６】
常温において安定な化合物を前記作業物質の前駆体にする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の同位体分離法。
【請求項７】
化学式ＳｉＸ３−ＣＹ２−ＣＺ３またはＳｉＸ３−ＣＹ＝ＣＺ２で表される化合物（ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、それぞれ同一でも異なるものであってもよく、ハロゲン原子、Ｈ、およびアルキル基からなる群から選ばれ、Ｚは最低１個のハロゲン原子とその他Ｈあるいはアルキル基である）、ないしその前駆体からなることを特徴とする、同位体分離用の作業物質。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同位体の分離方法に関し、特にＳｉの同位体をレーザー光によって効率的に分離するための同位体分離法および同位体分離用作業物質に関する。
【背景技術】
【０００２】
分子は構成される原子の同位体の違いにより、赤外域に現れる振動吸収スペクトルのピーク位置が僅かにずれている。このずれは同位体シフト呼ばれている。赤外レーザーを用いた同位体分離においては、同位体分離の対象となる原子を含んで構成される分子に強力な赤外レーザー光を照射し、この同位体シフトを利用して特定同位体を含む分子のみを多光子解離することで解離生成物あるいは残留分子中に目的同位体を濃縮する。レーザーとしては炭酸ガスレーザー、一酸化炭素レーザー、自由電子レーザー、半導体レーザー、固体レーザー、その他、１μｍ〜１００μｍ近傍の発振波長を有するあらゆるレーザーが使用できる。
【０００３】
ところで天然のケイ素の同位体自然存在比は、２８Ｓｉ：２９Ｓｉ：３０Ｓｉ＝９２．２３％：４．６７％：３．１０％である。ケイ素のレーザー同位体分離においては特公平０２−５６１３３号に開示されている技術が知られている。この発明では、Ｓｉａ、ＸｂＨＣ、（２≦α≦３，０≦６≦２α＋２，２α＋２＝ｂ＋ｃ，Ｘは同一又は異なるハロゲン原子）で表されるフルオロモノシラン化合物であることを特徴とするＳｉのレーザー同位体分離のための作業物質ならびにこれを利用した同位体分離法が提案されている。さらに、特公平０５−１３６８５号において開示されている発明においては、ＳｉＦｎＸ４−ｎ（ＸはＨ，Ｃｌ，Ｂｒ，１，のいずれか、ただし１≦η≦３）またはＳｉＦｎＲ４−ｎ（Ｒはアルキル基またはそのハロゲン誘導体、但し１≦η≦３）であらわされるフルオロものシラン化合物をＳｉのレーザー同位体分離のための作業物質とし、これを利用した同位体分離法が提案されている。また、この技術においては、Ｓｉ２Ｆ６、ＳｉＦ３Ｂｒなる分子を用いた例が記載されており、また、ＳｉＦ３Ｈ、  ＳｉＦ３Ｃｌ、ＳｉＦ２Ｈ２、ＳｉＦＣｌ３、ＳｉＦ３ＣＨ３、ＳｉＦ３ＣＦ３  、ＳｉＦ２（ＣＨ３）２などが例示されている。特に、Ｓｉ２Ｆ６は活性化エネルギーが低く高効率で同位体を分離できることから現在においてもＳｉ同位体分離の実用化研究用材料として用いられている。
【０００４】
しかしながら、従来のレーザー同位体分離法では、反応過程でラジカルが発生する場合が多い。これら発生したラジカルは容易に２次反応を誘起し、これが同位体選択性の低下に寄与するとともに固体成分やポリマー成分の生成の原因となる。生成するポリマー成分は、反応容器内面の汚染やレーザー入射窓への付着による透過率の低下や損傷など分離装置への深刻な問題を引き起こす。従来技術では、これらの問題を解決するためにスカベンジャーガスを混合して発生したラジカルを捕捉したり、生成された固体・ポリマー等を処理剤にて再ガス化し除去・回収する方法（特開２００１−２５９３７３号）などの方法が考えられてきたが、スカベンジャーガスの使用はエネルギーの散逸の原因になるほか、反応をより複雑にし、さらに固体・ポリマーの生成後の処理は少なからず、レーザー照射窓のダメージを許容することになってしまう。
【特許文献１】特公平０２−５６１３３号公報
【特許文献２】特公平０５−１３６８５号公報
【特許文献３】特開２００１−２５９３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決することに向けられたものであり、レーザー同位体分離における多光子解離反応に伴う２次反応ならびにポリマーの生成を第２のガスを使用することなく効果的に防止し、かつ、目的の同位体を低エネルギーで効率よく分離することができる同位体分離法およびこの同位体分離に用いる作業物質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】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明に係る同位体分離法は、化学式ＳｉＸ３−ＣＹ２−ＣＺ３またはＳｉＸ３−ＣＹ＝ＣＺ２で表される化合物（ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、それぞれ同一でも異なるものであってもよく、ハロゲン原子、Ｈ、およびアルキル基からなる群から選ばれ、Ｚは最低１個のハロゲン原子とその他Ｈあるいはアルキル基である）からなる同位体分離用の作業物質にレーザー光を照射して、特定Ｓｉ同位体原子を含む作業物質のみを解離することによって、標的となるＳｉ同位体原子を解離生成物中あるいは非解離作業物質中に濃縮する工程を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明の同位体分離法の好ましい態様においては、上記ＹがＨあるいはアルキル基である。
【０００８】
さらに、本発明の好ましい態様においては、上記の作業物質が、ＳｉＦ３−ＣＨ２−ＣＨ２Ｆ、ＳｉＦ３−ＣＨ２−ＣＨＦ２、ＳｉＦ３−ＣＨ２−ＣＦ３、およびＳｉＦ３−ＣＨ＝ＣＨＦからなる群から選ばれる少なくとも１種である。
【０００９】
さらに、本発明の別の好ましい態様においては、上記の作業物質が、ＳｉＦ３−ＣＨＦ−ＣＨ２Ｆ、ＳｉＦ３−ＣＨＦ−ＣＨＦ２、ＳｉＦ３−ＣＨＦ−ＣＦ３、ＳｉＦ３−ＣＦ＝ＣＨＦ、ＳｉＦ３−ＣＦ２−ＣＨ２Ｆ、ＳｉＦ３−ＣＦ２−ＣＨＦ２、およびＳｉＦ３−ＣＦ２−ＣＦ３からなる群から選ばれる少なくとも１種である。
【００１０】
さらに、本発明の好ましい態様においては、上記同位体分離法において、多波長の赤外レーザーの各波長それぞれを同時もしくは一定の時間遅延を持たせて照射することによって、作業物質の解離効率および同位体選択性を向上させる態様を含む。
【００１１】
また、本発明は、常温において安定な化合物を前記作業物質の前駆体にする同位体分離法を包含する。
【００１２】
さらに、本発明は、化学式ＳｉＸ３−ＣＹ２−ＣＺ３またはＳｉＸ３−ＣＹ＝ＣＺ２で表される化合物（ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、それぞれ同一でも異なるものであってもよく、ハロゲン原子、Ｈ、およびアルキル基からなる群から選ばれ、Ｚは最低１個のハロゲン原子とその他Ｈあるいはアルキル基である）、ないしその前駆体からなることを特徴とする同位体分離用の作業物質を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による同位体分離法は、化学式ＳｉＸ３−ＣＹ２−ＣＺ３またはＳｉＸ３−ＣＹ＝ＣＺ２で表される化合物（ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、それぞれ同一でも異なるものであってもよく、ハロゲン原子、Ｈ、およびアルキル基からなる群から選ばれ、Ｚは最低１個のハロゲン原子とその他Ｈあるいはアルキル基である）からなる同位体分離用の作業物質にレーザー光を照射して、特定同位体原子を含む分子のみを解離することによって、標的となるＳｉ同位体原子を解離生成物中あるいは非解離作業物質中に濃縮する工程を含むことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明者は、ケイ素に対するハロゲンの親和力が非常に強いことに着目して検討した結果、上記の特定の化合物を作業物質として、これを同位体選択性のある波長のレーザー光で照射することによって、２次反応の発生を効果的に抑制することができ、しかも低エネルギーで同位体を分離することが可能になることの知見を得た。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。
【００１５】
ところで、エチルシランの熱分解が比較的低温で起こるためにはエチル基のどこかに最低１つのジハロゲン原子が含まれている必要がある。ここで、βＣにのみハロゲン原子が結合しているときには４中心遷移状態を経由してβＣに結合しているハロゲン原子がＳｉに移動し、ラジカル状態を経由せずに中性分子のみが解離生成物として得られることが判明した。
【００１６】
一方、αＣにハロゲン原子が結合している場合にあっては、３中心遷移状態を経由してαＣに結合しているハロゲン原子がＳｉに移動してビラジカルが生成される。しかしながら、このビラジカルは寿命が短く、解離生成物の濃度が低い場合には他の分子と反応する前に自身で中性分子化するため、このラジカル発生に起因する悪影響は実質的に生じない。また、解離生成物の濃度が高くなってきた場合には２次反応を誘起するが、その量は少量であり、従来法に比べるといずれの場合も大幅に２次反応を軽減できる。
【００１７】
これらの作業物質は、従来の同位体分離法と同様に多波長の赤外レーザーを同時あるいは一定の時間遅延を持たせて照射することによって、分子の解離効率および同位体選択性を予想外に向上させることができる。
【００１８】
したがって、本発明の同位体分離法の好ましい態様においては、上記ＹがＨあるいはアルキル基である。
【００１９】
さらに、本発明の好ましい態様においては、上記の作業物質が、ＳｉＦ３−ＣＨ２−ＣＨ２Ｆ、ＳｉＦ３−ＣＨ２−ＣＨＦ２、ＳｉＦ３−ＣＨ２−ＣＦ３、およびＳｉＦ３−ＣＨ＝ＣＨＦからなる群から選ばれる少なくとも１種である。
【００２０】
さらに、本発明の別の好ましい態様においては、上記の作業物質が、ＳｉＦ３−ＣＨＦ−ＣＨ２Ｆ、ＳｉＦ３−ＣＨＦ−ＣＨＦ２、ＳｉＦ３−ＣＨＦ−ＣＦ３、ＳｉＦ３−ＣＦ＝ＣＨＦ、ＳｉＦ３−ＣＦ２−ＣＨ２Ｆ、ＳｉＦ３−ＣＦ２−ＣＨＦ２、およびＳｉＦ３−ＣＦ２−ＣＦ３からなる群から選ばれる少なくとも１種である。
【００２１】
さらに、本発明の好ましい態様においては、上述したように、多波長の赤外レーザーを同時もしくは一定の時間遅延を持たせて照射することによって、分子の解離効率および同位体選択性を向上させる態様を含む。
【００２２】
また、本発明は、上記の作業物質の前駆体であって、常温において安定な化合物を出発原料とする同位体分離法を包含する。このような前駆体化合物としては、たとえば、上記で例示した作業物質において、ＳｉＦ３の部分をＳｉＣｌ３で置換した化合物（たとえば、ＳｉＣｌ３−ＣＨ２ＣＨ２Ｆなど）が通常前駆体として好ましく用いられ得る。
【実施例】
【００２３】
本実施例で用いた同位体分離法のための実験装置を図１に示す。作業物質は内直径４０ｍｍ、長さ１９０ｍｍのステンレス製反応セル内に充填される。セル両端には有効径１４ｍｍのＢａＦ２窓が取り付けられ、この窓より炭酸ガスレーザー光を照射した。レーザー光の断面形状は２０ｍｍ×２０ｍｍ平行光であり、セル直前で直径１０ｍｍ虹彩絞りでビームを切り出した後セル内に入射させた。レーザー光はパルスレーザー光であり、パルス幅は半値全幅が１００ｎｓで約２μｓの強度の低いテイルパルスを含んでいた。
【００２４】
作業物質として２−フルオロメチルトリフルオロシラン（Ｈ２ＦＣ−ＣＨ２−ＳｉＦ３）を用いた。実験中、作業物質の充填圧は０．１Ｔｏｒｒであった。炭酸ガスレーザーの照射波長を１０Ｒ２６（９８０ｃｍ−１）に同調して作業物質に照射した結果、１００ｍＪ／ｃｍ２の非常に低い照射強度で作業物質が分解することがわかった。反応経路は式（１）で与えられることが図２の炭酸ガスレーザーを照射した際のＦＴ−ＩＲスペクトルによりわかる。（ＳｉＦ４及びＣ２Ｈ４の吸収スペクトルは既知）
Ｈ２ＦＣ−ＣＨ２−ＳｉＦ３  ＋  ｎｈν  →  ＳｉＦ４＋Ｃ２Ｈ４    （１）
ここで、ｎｈνは分子に吸収される炭酸ガスレーザーの光子エネルギーを意味する。また、図３に示すように、反応に伴う圧力の上昇は作業物質の解離割合と比例していることや、多数回にわたる実験の後にも反応セル窓への付着やセル内の汚染が全く見られなかったことからも、本プロセスにおいて式（１）以外のいかなる２次反応も起きていないことが確認できた。各同位体含有分子の解離速度定数（１レーザーパルス照射あたりの各同位体含有分子の解離割合で定義される）の比で与えられる同位体選択性（β２９＝ｋ２９／ｋ２８，  β３０＝ｋ３０／ｋ２８；ｋｉ（ｉ＝２８，２９，３０）は各同位体の解離速度定数）はとして定義し、同位体選択性の波長依存性を測定した。炭酸ガスレーザーの照射エネルギー密度を３５０ｍＪ／ｃｍ２とした場合の結果を図４に示す。ＣＯ２レーザーの照射波長が１０Ｐ３６（９２９ｃｍ−１）のときに５００ショットで９８％、２０００ショットでほぼ１００％の割合で２８Ｓｉが残留作業物質中に濃縮され、このときの同位体選択性はβ２９＝１５，β３０＝６２であった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例で用いた同位体分離のための実験装置の概要図。
【図２】実施例における赤外吸収スペクトルの変化を示すグラフ。
【図３】実施例における炭酸ガスレーザー照射による作業物質の解離割合と全圧の増加割合の関係を示すグラフ。
【図４】実施例における同位体選択性の波長依存性を示すグラフ。
【要約】
【課題】  レーザー同位体分離における多光子解離反応に伴う２次反応ならびにポリマーの生成を第２のガスを使用することなく効果的に防止し、かつ、目的の同位体を低エネルギーで効率よく分離することができる同位体分離法およびこの同位体分離に用いる作業物質を提供すること。
【解決手段】  化学式ＳｉＸ３−ＣＹ２−ＣＺ３またはＳｉＸ３−ＣＹ＝ＣＺ２で表される化合物（ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、それぞれ同一でも異なるものであってもよく、ハロゲン原子、Ｈ、またはアルキル基から選ばれ、Ｚは最低１個のハロゲン原子とその他Ｈあるいはアルキル基から選ばれる）からなる同位体分離用の作業物質にレーザー光を照射して、特定同位体原子を含む分子のみを解離することによって、標的となるＳｉ同位体原子を解離生成物中あるいは非解離分子中に濃縮する工程を含むことを特徴とする同位体分離法。
【選択図】  図１
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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