(57)【要約】【課題】            改良された実用的なタリウム同位体分離方法の提供【解決手段】        レーザービームを使用した下記工程からなるタリウム同位体の分離方法、(a)周波数約３７８nmの第１周波数をレーザー系により製造し、(b)周波数約２９２nmの第２周波数をレーザー系により製造し、(c)周波数７００〜１４００nmの範囲にある第３周波数をレーザー系により製造し、(d)第１、第２及び第３の光子をタリウム蒸気に照射し、ここで該第１周波数の光子は、同位体選択的に、複数の基底状態タリウム原子を励起状態を経て準安定状態にポンプし、そして該第２周波数の光子は複数の準安定状態タリウム原子を中間状態、共鳴（resonant）状態に励起し、そして該第３周波数の光子は中間、共鳴状態にある複数の原子をコンティニュアム（continuum）状態を経てイオン化し、そして（e）  該同位体イオンを収集する。
2005534472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同位体を含む複数のタリウム同位体を含有するアトミックベイパー中でタリウム同位体を、下記工程により分離する方法、
(a)  周波数が約３７８nmである第１周波数の光子をレーザー系により製造し、
(b)  周波数が約２９２nmである第２周波数の光子をレーザー系により製造し、
(c)  周波数が７００nmから１４００nmの範囲にある第３周波数の光子をレーザー系により製造し、
(d)  第１、第２及び第３周波数の光子をタリウム蒸気に照射し、ここで該第１周波数の光子は、同位体選択的に、複数の基底状態タリウム原子を励起状態を経て準安定状態にポンプし、そして該第２周波数の光子は複数の準安定状態タリウム原子を中間状態、共鳴（resonant）状態に励起し、そして該第３周波数の光子は中間、共鳴状態にある複数の原子をコンティニュアム（continuum）状態を経てイオン化し、そして
（e）  該同位体イオンを収集する。
【請求項２】
第１周波数の光子が、１個以上の連続（continuous）波長レーザーにより製造される請求項１記載の方法。
【請求項３】
該ポンピングが、第１周波数の光子を照射して、光学的にかつ同位体選択的に、基底状態にあるタリウム同位体を基底状態から基底状態のゼロエネルギーに対し２６４７７．６cm-1のエネルギーにある第１の励起状態を経て、基底状態のゼロエネルギーに対し７７９３cm-1のエネルギーで準安定状態にポンプすることからなる請求項１記載の方法。
【請求項４】
第２周波数の光子が、１個以上のパルス型レーザーにより生産される請求項１記載の方法。
【請求項５】
第２周波数の光子により中間、共鳴状態に励起する工程が、準安定状態にあるタリウム原子を、基底状態のゼロエネルギーに対し４２０４９．０cm-1のエネルギーで第２励起状態に励起することにより行われる請求項１又は４記載の方法。
【請求項６】
第２周波数の光子により中間、共鳴状態に励起する工程が、準安定状態にあるタリウム原子を基底状態のゼロエネルギーに対し４２０１１．４cm-1のエネルギーで第２励起状態に励起しておこなわれる請求項１又は４記載の方法。
【請求項７】
第３周波数の光子が、１個以上のパルス型レーザーにより製造される請求項１記載の方法。
【請求項８】
第３周波数の光子によるイオン化が、第３周波数の光子を４２０４９．０cm-1のエネルギーで第２励起状態にあるイオン化する原子に照射して、基底状態のゼロエネルギーに対し４９２６６．７cm-1〜５５０００cm-1のエネルギー範囲でコンティニュアム状態にすることからなる請求項１記載の方法。
【請求項９】
第３周波数の光子によるイオン化が、第３周波数の光子を４２０１１．４cm-1のエネルギーにある第２励起状態のイオン化する原子に照射し、基底状態のゼロエネルギーに対し４９２６６．７cm-1〜５５０００cm-1のエネルギー範囲でコンティニュアム状態にすることからなる請求項１記載の方法。
【請求項１０】
同位体イオンを収集する工程が、該蒸気に電場を掛けることからなる請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はタリウムの同位体分離方法に関する。さらに詳しくは、レーザービームを使用したタリウムのレーザー同位体分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然界においては、タリウムは２種の同位体即ち２０３Tl(29.5%)及び２０５Tl(70.5%)を含んでいる。２０３Tlは２０１Tl放射性同位体製造用試料として使用される。２０１Tlはサイクロトロン中で、濃縮（enriched）２０３Tlターゲットに１９−３１MeVプロトンビームを照射して２０３Tl（p,3n）２０１Tl反応により製造される。２０１TlClは心臓病及び腫瘍を診断するためのＳＰＥＣＴ（single photon emission computerized tomography）用の放射性医薬品である。
【０００３】
電磁的方法は、タリウム同位体を分離するための唯一の商品化された方法である。原理的には、その技術は単純である。磁極間を通過するときに、特定の屈曲半径により特徴付られる各同位体のモーメンタムに従って、自然に発生するタリウムイオンのモノエネルギービームは２つの流れに分裂する。半円形軌道の端部にある捕集カップは、同種の流れをキャッチする。電磁的分離は分離技術の基礎として経験の多い最も用途の多い技術である。しかしながら、処理量が少なく、操作費用も高い。
【０００４】
原子の同位体選択性光イオン化を使用するレーザー同位体分離（ＬＩＳ）技術は電磁的方法の欠点を克服する方法であると言われてきた。この技術は水銀、ガドリニウム及び他の元素を含む多くの元素で立証されてきた。特許文献１、２、３及び４は、それぞれ水銀（Hg）、ガドリニウム(Gd)、ジルコニウム(Zr)及びエルビウム(Er)元素のレーザー同位体分離に関する。特許文献５は特許文献１のそれとは異なる新しい光イオン化とは異なる通路（pathway）を示唆している。
【０００５】
ある種の元素のＬＩＳが実施可能であるか否かの決定は、光イオン化の通路、関係するレーザー、及びアトミックベイパー（atomic vapor）を含む種々の要素の詳細な考慮を必要とする。ＬＩＳ適用の評価のためには、同位体シフト、超微細な構造、レベルエネルギー、各レベルでの角モーメンタム、レベル寿命等の知識が必要である。ＬＩＳが技術的に実施可能である場合には、他の技術に対するこの技術のコスト競合性を考慮した経済的評価が実施される。それには、元素の物理的、化学的特性の知識、必要なレーザー出力、同位体選択性及び光イオン化プロセスでのイオン化効率の知識が必要である。
【０００６】
タリウムは利用可能な自動イオン化（autoionization）レベルを有さず、タリウムエネルギーレベルの同位体シフトは、他の元素に比して比較的小さい。それ故、自動イオン化レベルを介したタリウムの光イオン化は可能ではなく、又同位体選択性は、特許文献１及び４で適用されたような通常の徐々の光イオン化プロセス用には非常に小さい。さらに、特許文献２で適用された角モーメンタム選択基準を使用してタリウム同位体を分離することは可能ではないようである。２０３Tl及び２０１Tl核磁気モーメントは同じであるからである。
【０００７】
特許文献６は同位体選択励起及びタリウム同位体分離用の電界イオン化方法を採用している。この方法は、特許文献７に２１０Pbの鉛同位体からの除去用として開示されている。この特許では、基底状態でのタリウム原子を同位体選択的に、377.6nm及び443.7nm波長の２種のレーザーにより、約４９、０００cm-1のエネルギーでリュードベリ状態に励起され、そして外部電場により電界イオン化される。励起プロセス中、約１GHzのデチューニングを２６、４７７１cm-1のエネルギーレベルでレーザー周波数と中間レベルの間で行った。これは２−カラー２−光子励起プロセスである。２−光子励起プロセスにより高励起効率と共に高同位体選択性を得るためには、レーザーはフーリエ変換−限定帯域幅であるべきであり、またカウンタープロパゲート（counter-propagete）すべきである。中間レベルからデチューニングすることにより生ずるシュタルクシフトは、２−光子励起効率を減少させる。これを避けるためには、レーザー出力及び周波数をπパルス条件により微細に制御し、且つ又レーザーパルスを正確にオーバーラップすべきである。メディアム（medium）中での全てのなカウンタープロパゲーション中、レーザーパルスをオーバーラップすることは実際上不可能であり、励起効率の低下は避けられない。さらに、タリウム同位体を大量生産する際に、初期に製造されたプラズマは外部電界を遮蔽し、その結果電界イオン化効率は減少する。これらの理由で、特許文献６は技術的に実施可能としているけれども、この方法を商業的に実施可能とするためには克服すべきいくつかの障害が残っている。
【０００８】
【特許文献１】米国特許明細書４、７９３、３０７号（１９８８）
【特許文献２】米国特許明細書５、２０２、００５号（１９９３）
【特許文献３】米国特許明細書５、３７６、２４６号（１９９４）
【特許文献４】米国特許明細書５、４４３、７０２号（１９９５）
【特許文献５】日本特許公開公報１９９９−９９３２０A号
【特許文献６】日本特許公開公報２０００−２６２８６６A号
【特許文献７】米国特許明細書５、９４５、６４９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記した問題を解決し、且つ又改良された実際的なタリウム同位体分離方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、同位体を含む複数のタリウム同位体を含有するアトミックベイパー中でタリウム同位体を分離する方法が提供される。この分離方法は下記工程からなる。
(a)  周波数が約３７８nmである第１周波数の光子をレーザー系により製造し、
(b)  周波数が約２９２nmである第２周波数の光子をレーザー系により製造し、
(c)  周波数が７００nmから１４００nmの範囲にある第３周波数の光子をレーザー系により製造し、
(d)  第１、第２及び第３周波数の光子をタリウムベイパーに照射し、ここで第１周波数の光子は同位体選択的に複数の基底状態タリウム原子を、励起状態を経て準安定状態にポンプ(pump)し、そして第２周波数の光子は複数の準安定状態のタリウム原子を中間状態、共鳴（resonant）状態に励起し、そして第３周波数の光子は中間、共鳴状態にある複数の原子をコンティニュアム（continuum）状態を経てイオン化し、
（e）  同位体イオンを収集する。
【発明の効果】
【００１１】
２０３Tlを１kg/年生産可能とするためには、必要なレーザー出力は、ＣＷ光ポンピングレーザー、パルス型ＵＶレーザー、及びパルス型ＩＲレーザーでそれぞれ５００mW、４W、及び５００Wと推定される。パルス型レーザーでは、５KHz以上の繰り返し速度及びns数１０のパルス幅が要求される。このようなレーザー系は市販品のレーザーを使用して組み立てることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
自然のタリウムからタリウム同位体を分離するための同位体選択性光イオン化プロセス及び装置を開示する。これは同位体選択性光ポンピング、タリウム原子の光イオン化及びイオンの静電抽出からなる。このスキームは、大規模な光イオン化クロスセクションと同じ程度に大規模な光ポンピングクロスセクションの利点がある。またその結果、単に適度のレーザーフルエンス（fluence）が要求される。このスキームによれば、ターゲット同位体の選択的光ポンピング（ＩＳＯＰ）により同位体を準安定状態とし、そして準安定状態のタリウム同位体を共鳴光イオン化（ＲＰＩ）することによりターゲット同位体を選択的かつ効率的に光イオン化することができる。後者のプロセスでは、準安定タリウム原子は共鳴励起状態を経てコンティニュアム（continuum）状態に光イオン化される。タリウム同位体の効率的なＩＳＯＰは単一周波数連続（continuous）波長（ＣＷ）レーザーにより達成することができる。パルス型ＵＶレーザー及び高出力パルス型ＩＲレーザーがＲＰＩプロセスで使用される。
【００１３】
本発明に基づく２０３Tlレーザー同位体分離は従来の電磁的分離よりも経済的により効率的である。また、この発明は、特許文献６の限定された範囲を克服することができる。結論として、本発明は２０３Tlの分離を比較的小規模の設備及び市販品として入手できるレーザーを用いて大量生産をも可能ならしめるものである。
【００１４】
本発明の実施例、即ちタリウムレーザー同位体分離方法をより詳細に、図面及びデータを基に説明する。この説明は本発明のより良き理解に有用であり、かつ本発明を限定するものではない。
【００１５】
図１は、タリウムレーザー同位体分離方法の概念図を示す。タリウム原子のビーム２は加熱器１を使用して８００〜１０００℃の範囲の温度にタリウムを加熱することにより発生される。そして原子ビームコリメーター３により平行化され、ついで光学的にかつ同位体選択的にＣＷレーザー４により準安定状態に励起(pump)される。光学的に励起されたタリウム同位体はパルス型ＵＶレーザー５及びパルス型ＩＲレーザー６により光イオン化される。光イオン化中に発生した光イオン化されたタリウムイオン８及び電子９は、外部電場によりバイアスされた抽出器７により原子ビームから分離される。
【００１６】
図２は、本発明によりタリウムイオンが分離されたときのタリウム原子の部分的（partial）なエネルギーレベルの概略図を示す。基底状態｜１＞のターゲット同位体は光学的にかつ同位体選択的にＣＷレーザーによりレベル｜２＞に励起される。レベル｜２＞に励起された同位体は自然の減衰プロセス（図２のa）により基底レベル｜１＞に下方遷移されるか、或いは準安定状態レベル｜３＞（図２のb）に励起されるかのいずれかである。ターゲット同位体は準安定状態レベル｜３＞に止まる一方、基底状態レベル｜１＞に下方遷移された同位体はレベルレベル｜２＞に再び励起される。準安定状態のの寿命は約２５０μsecと十分に長く、大部分のターゲット同位体は繰り返される励起及び下方遷移プロセスにより準安定状態レベル｜３＞に励起されることができるからである。他方、非ターゲット同位体は励起されず、基底状態に止まる。その結果、高いターゲット同位体選択性と共に高い光ポンピング効率が達成される。準安定状態レベル｜３＞に励起されたターゲット同位体はパルス型レーザーによる共鳴励起状態レベル｜４＞を経てコンティニュアム状態レベル｜５＞に光イオン化される。
【００１７】
タリウム原子は、エネルギー３０、０００cm-1の下に３個のみのエネルギーレベルが存在するという簡単な電子構造を有している。それは、基底状態（６２P1/2:0cm-1）、準安定状態（６２P3/2:7,793cm-1）及び励起状態（７２S1/2:26,477.6cm-1）から成っている。タリウム原子は効率的な光ポンピング用としていくつかの利点を有している。
これらの利点は次の通りである：
(a)  ６２P1/2及び６２S１／２間遷移の大きな電気双極子モーメント
(b)  ６２S１／２（７．５nsec）の非常に短い寿命
(c)  ６２S１／２及び準安定状態間遷移の分岐比（branching ratio）は６２S１／２及び基底状態間遷移の分岐比よりも大きい。
それ故、ＣＷレーザー周波数（波長約３７８nm）が６２P1/2及び６２S１／２間遷移ラインに共鳴するならば、タリウム原子の準安定状態への非常に効率的なポンピングは容易に達成できる。タリウム原子の準安定状態母集団（population）は、タリウムが原子ビームを発生する温度まで加熱されたときに１０−３よりも低く、最初の母集団はこの温度範囲では同位体選択性に影響しないからである。
【００１８】
図３は光ポンピング遷移に関するタリウム同位体の同位体シフト及び超微細構造を示す。６２P1/2及び７２S１／２間遷移の同位体シフトは、それぞれFg=1-＞Fe=1及びFg=0-＞Fe=1に対して約1.6GHz,約1.5GHzである。それ故、原子ビームのドップラー幅が数百MHz(例えば約１００MHz)よりも小さく、かつ単一周波数のＣＷレーザーが光ポンピングレーザーとして使用されるならば、ターゲット同位体の準安定状態への高選択性光ポンピングが可能である。
【００１９】
図４は、ガウス強度分布（最大半値幅：１０mm）及び出力２０mWであるＣＷレーザーを使用してFg=1-＞Fe=1の遷移の実験的に測定した光ポンピングスペクトルを示す。図５はＣＷレーザーがガウス強度分布（最大半値幅：１０mm）及び出力２００mWと推定した同遷移の計算された光ポンピングスペクトルを示す。この光ポンピングプロセスにおいては、同位体選択性が非常に高いことを示している。
【００２０】
基底状態の超微細分裂(splitting)が約２１GHzであるとき、準安定レベルでのそれは約５００GHzである。それ故、準安定状態原子の効率的な光イオン化は超微細構造の干渉なしに期待される。比較的低出力のレーザーでさえも、その大きい電気双極子モーメントにより、効率的に準安定タリウム原子を７２Ｄ３／２（４２，０１１．４ｃｍ−１）状態或いは７２Ｄ５／２（４２，０４９．０ｃｍ−１）状態へ励起することができる。励起用遷移波長は、約２９２nmである。図６はNd:YAGレーザーの波長１０６４nmでのタリウム原子の７２Ｄ５／２レベルでの測定された光イオン化クロスセクションを示す。２．７×１０−１７cm2の光イオン化クロスセクションは、７２Ｄ５／２の励起状態にあるタリウム原子の８０％より多くをパルスエネルギー密度４０mJ/pulse/cm2のNd:YAGレーザーでイオン化するに十分な大きさである。タリウム原子のイオン化ポテンシャル（ＩＰ）は約４９２６６．７cm-1であるから、適度の出力をもつＩＲレーザーが、エネルギー範囲４９２６６．７cm-1〜５５０００cm-1に対応する７００〜１４００nmの範囲の波長を有するならば、効率的な光イオン化を期待できる。
【００２１】
図７は、本発明によるタリウム原子の同位体選択性光イオン化の観測されたタイムオブフライト（Time-of-Flight）(TOF)のマススペクトルを示す。パルス型レーザー周波数を固定し、ＣＷレーザー周波数をスキャンしたときに、各同位体の光イオン化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明によるタリウムのレーザー分離方法の概念図を示す。(a)は正面図であり(b)は側面図である。
【図２】タリウム原子の部分的なエネルギーレベルを示す略図である。
【図３】タリウム同位体の同位体シフト及び超微細構造を示す。
【図４】ガウス強度分布（最大半値幅：１０mm）及び出力２０mWのＣＷレーザーを使用してタリウム同位体の光ポンピングスペクトルの測定結果を示す。
【図５】ガウス強度分布（最大半値幅：１０mm）及び出力２００mWのＣＷレーザーを使用してタリウム同位体の光ポンピングスペクトルの推計(calculated)結果を示す。
【図６】Nd:YAGレーザーの波長１０６４nmでのタリウム原子の７２D5/2レベルの光イオン化クロスセクションの測定結果を示す。
【図７】タリウム原子の同位体選択的光イオン化のマススペクトルを示す。(a） 非選択性光イオン化タリウム原子のマススペクトルを示す。(b)  光ポンピングレーザーの周波数が２０５Tl同位体で共鳴するときのマススペクトルを示す。(c)  光ポンピングの周波数が２０３Tl同位体で共鳴するときのマススペクトルを示す。
【図１】
2005534472.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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