(57)【要約】【課題】低濃度試料による分析でも高い精度で同位体の分析を行うことが可能な同位体分析装置を提供する。【解決手段】本発明に係る同位体分析装置１は、入射側高反射ミラー１５１と、前記入射側高反射ミラー１５１とで対を成し、光キャビティー１５５を形成する出射側高反射ミラー１５２と、前記入射側高反射ミラー１５１にレーザー光を入射するレーザー光入射部（光学系４５）と、前記出射側ポート１４０から出射する光を受光する光検出部（光電子増倍管５０）と、前記光検出部（光電子増倍管５０）の出力をスペクトル信号に変換するスペクトル信号変換部（オシロスコープ７０、コンピューター８０）と、からなり、前記光キャビティー１５５内でドップラーフリースペクトルを発現させると共に、前記スペクトル信号変換部（オシロスコープ７０、コンピューター８０）で得られる、特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射側高反射ミラーと、
前記入射側高反射ミラーとで対を成し、光キャビティーを形成する出射側高反射ミラーと、
前記入射側高反射ミラーにレーザー光を入射するレーザー光入射部と、
前記出射側高反射ミラーから出射する光を受光する光検出部と、
前記光検出部の出力をスペクトル信号に変換するスペクトル信号変換部と、からなり、
前記光キャビティー内でドップラーフリースペクトルを発現させると共に、
前記スペクトル信号変換部で得られる、特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うことを特徴とする同位体分析装置。
【請求項２】
前記光キャビティーにプラズマ化した分析対象試料の気流を形成するプラズマ気流形成部を有することを特徴とする請求項１に記載の同位体分析装置。
【請求項３】
前記プラズマ気流形成部で用いるプラズマがレーザー維持プラズマであることを特徴とする請求項２に記載の同位体分析装置。
【請求項４】
前記プラズマ気流形成部で用いるプラズマが誘導結合プラズマであることを特徴とする請求項２に記載の同位体分析装置。
【請求項５】
前記プラズマ気流形成部で用いるプラズマがアーク加熱プラズマであることを特徴とする請求項２に記載の同位体分析装置。
【請求項６】
前記プラズマ気流形成部が、
第１電極と、
前記第１電極の近傍に対して気体を供給する気体供給部と、
前記第１電極の近傍に対して分析対象試料を供給する試料供給部と、
前記第１電極と離間して対向する第１円錐凹部と、前記第１円錐凹部から延在するスロート部と、前記スロート部から延在する第２円錐凹部とを有する、前記第１電極と極性が異なる第２電極と、
前記第２電極の前記第２円錐凹部から連通するチャンバ部と、
を有し、
前記スロート部の中心軸と前記光キャビティーにおけるレーザー光の進行方向が略垂直であることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の同位体分析装置。
【請求項７】
前記第１電極がカソードであり、前記第２電極がアノードであることを特徴とする請求項６に記載の同位体分析装置。
【請求項８】
レーザー光源と、
前記レーザー光源と前記レーザー光入射部との間の光路に配される第１ビームスプリッターと、
前記第１ビームスプリッターによって分岐された光路に配されるエタロンと、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の同位体分析装置。
【請求項９】
前記レーザー光源と前記レーザー光入射部との間の光路に配される第２ビームスプリッターと、
前記第２ビームスプリッターによって分岐された光路に配される光波長計と、
を有することを特徴とする請求項８に記載の同位体分析装置。
【請求項１０】
前記レーザー光源が出射するレーザー光は縦モードシングルであることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の同位体分析装置。
【請求項１１】
前記チャンバ部の一方側に設けられる入射側ポートと、
前記チャンバ部の他方側に設けられる出射側ポートと、を有し、
前記入射側ポート及び前記出射側ポートにはブリュスター窓が配されることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の同位体分析装置。
【請求項１２】
一対の高反射ミラー間の光キャビティーに入射したレーザー光により前記光キャビティー内でドップラーフリースペクトルを発現させるステップと、
前記光キャビティーから出射した光をドップラーフリースペクトル信号に変換するステップと、
特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うステップと、を有することを特徴とする同位体分析方法。
【請求項１３】
前記光キャビティーにプラズマ化した分析対象試料の気流を形成するステップをさらに有することを特徴とする請求項１２に記載の同位体分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、採取された試料について特段の化学処理等を行うことなく特定の元素の同位体の分析を行うことができる同位体分析装置、及びこのような同位体分析装置の原理となる同位体分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、同位体分析は、質量数を識別する質量分析装置を利用しているが、質量分析では、同重体を識別することができないため、化学分離を基本とする試料の前処理工程により、特定元素成分を抽出し、クリーンな状態に調製しなければならない。一般に前処理工程は、１試料当たり２週間程度を要するため、迅速な分析には適しておらず、また、妨害元素に応じて新たに抽出法を開発しなければならない。
【０００３】
そのため、近年では、大型レーザーを用いて固体試料を直接気化させるレーザーアブレーション分光法（非特許文献１参照）が開発されてきた。このようなレーザーアブレーション分光法によれば、前処理を行わず同位体分析が可能となる。
【非特許文献１】M. Miyabe et al.," Laser ablation absorption spectroscopy for remote analysis of uranium",Hyperfine Interact (2013) 216:71-77,published online: 22 March 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザーアブレーション分光法によれば、前処理を行わず同位体分析が可能となるが、一方で、その感度は質量分析に比べ５桁程度劣っており精度が低い、という問題があった。また、試料が気化する際の高温高圧環境で、同位体スペクトルが干渉するため、同位体識別の精度も低い、という問題もあった。
【０００５】
また、レーザーアブレーション分光装置は、機器・設備が大型であり可搬性がない、という問題もあった。
【０００６】
また、従来のレーザーアブレーション分光法では、分析対象が高濃度試料に限定されている、という問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記のような問題点を解決するために、本発明に係る同位体分析装置は、入射側高反射ミラーと、前記入射側高反射ミラーとで対を成し、光キャビティーを形成する出射側高反射ミラーと、前記入射側高反射ミラーにレーザー光を入射するレーザー光入射部と、前記出射側高反射ミラーから出射する光を受光する光検出部と、前記光検出部の出力をスペクトル信号に変換するスペクトル信号変換部と、からなり、前記光キャビティー内でドップラーフリースペクトルを発現させると共に、前記スペクトル信号変換部で得られる、特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る同位体分析装置は、前記光キャビティーにプラズマ化した分析対象試料の気流を形成するプラズマ気流形成部を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る同位体分析装置は、前記プラズマ気流形成部で用いるプラズマがレーザー維持プラズマであることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る同位体分析装置は、前記プラズマ気流形成部で用いるプラズマが誘導結合プラズマであることを特徴とする請求項２に記載の同位体分析装置。
【００１１】
また、本発明に係る同位体分析装置は、前記プラズマ気流形成部で用いるプラズマがアーク加熱プラズマであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る同位体分析装置は、前記プラズマ気流形成部が、第１電極と、前記第１電極の近傍に対して気体を供給する気体供給部と、前記第１電極の近傍に対して分析対象試料を供給する試料供給部と、前記第１電極と離間して対向する第１円錐凹部と、前記第１円錐凹部から延在するスロート部と、前記スロート部から延在する第２円錐凹部とを有する、前記第１電極と極性が異なる第２電極と、前記第２電極の前記第２円錐凹部から連通するチャンバ部と、を有し、前記スロート部の中心軸と前記光キャビティーにおけるレーザー光の進行方向が略垂直であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る同位体分析装置は、前記第１電極がカソードであり、前記第２電極がアノードであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る同位体分析装置は、レーザー光源と、前記レーザー光源と前記レーザー光入射部との間の光路に配される第１ビームスプリッターと、前記第１ビームスプリッターによって分岐された光路に配されるエタロンと、を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る同位体分析装置は、前記レーザー光源と前記レーザー光入射部との間の光路に配される第２ビームスプリッターと、前記第２ビームスプリッターによって分岐された光路に配される光波長計と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る同位体分析装置は、前記レーザー光源が出射するレーザー光は縦モードシングルであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る同位体分析装置は、前記チャンバ部の一方側に設けられる入射側ポートと、前記チャンバ部の他方側に設けられる出射側ポートと、を有し、前記入射側ポート及び前記出射側ポートにはブリュスター窓が配されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る同位体分析方法は、一対の高反射ミラー間の光キャビティーに入射したレーザー光により前記光キャビティー内でドップラーフリースペクトルを発現させるステップと、前記光キャビティーから出射した光をドップラーフリースペクトル信号に変換するステップと、特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うステップと、を有することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る同位体分析方法は、前記光キャビティーにプラズマ化した分析対象試料の気流を形成するステップをさらに有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る同位体分析装置は、特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うので、本発明に係る同位体分析装置によれば、低濃度試料による分析でも高い精度で同位体の分析を行うことが可能となる。
【００２１】
また、本発明に係る同位体分析装置によれば、装置を小型化し可搬式とすることが可能となり、例えば、オンサイトでの分析を実現することができる。
【００２２】
また、本発明に係る同位体分析装置によれば、各同位体のスペクトルを判別することが可能となり、微量同位体の識別を行うことができるようになる。
【００２３】
また、本発明に係る同位体分析方法は、特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うので、本発明に係る同位体分析方法によれば、低濃度試料による分析でも高い精度で同位体の分析を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る同位体分析装置１の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る同位体分析装置１のカソード１１０とアノード１２０を抜き出して示す図である。
【図３】ドップラーフリースペクトルの原理を説明する模式図である。
【図４】ドップラーフリースペクトル発現の有無によるスペクトルの相違を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。 図１は本発明の実施形態に係る同位体分析装置１の概略構成を示す図である。
【００２６】
図１に示す本体部１００の構成の中で、分析対象試料をプラズマ化し、さらにこのプラズマの気流を形成して、光キャビティー１５５へと導くことに関連する全ての構成を「プラズマ気流形成部」と称する。
【００２７】
ここで、本発明に係る同位体分析装置１のプラズマ気流形成部で用いるプラズマの発生方法は任意のものとすることができる。例えば、プラズマ気流形成部で用いるプラズマとしてレーザー維持プラズマを用いることもできるし、或いは、プラズマ気流形成部で用いるプラズマとして誘導結合プラズマを用いることもできるし、或いは、プラズマ気流形成部で用いるプラズマとしてアーク加熱プラズマを用いることができる。
【００２８】
以下、プラズマ気流形成部でアーク加熱プラズマを用いた場合を例に説明する。
【００２９】
本発明に係る同位体分析装置１の本体部１００においては、カソードホルダー１１９によって支持されることで取り付けられているタングステン製のカソード１１０と、このカソード１１０と離間して配されている銅製のアノード１２０と、が設けられており、不図示の電源によりカソード１１０とアノード１２０と所定の直流電圧を印加することができるようになっている。
【００３０】
なお、本実施形態では、カソード１１０の材料としてタングステンを用いるようにしたが、用いる不活性ガスや試料によっては、表面酸化処理を施したジルコニウムなどを用いるようにしてもよい。
【００３１】
本体部１００には、前記カソード１１０の近傍に対して不活性ガスａを供給することができるポートである気体供給部１０３が設けられている。また、本体部１００には、気体供給部１０３の下流側に、カソード１１０の近傍に対して試料ｂを供給することができるポートである試料供給部１０５が設けられている。
【００３２】
また、アノード１２０から連通するチャンバ部１０７は不図示の真空ポンプなどにより排気ポート１９０から排気がなされている。これにより、カソード１１０とアノード１２０と間で放電が発生し、試料がプラズマ化すると共に、当該プラズマはアノード１２０から図示下方に向けて流れる超音速プラズマ流Ｆ（マッハ数１程度）となる。
【００３３】
本発明に係る同位体分析装置１は、チャンバ部１０７における超音速プラズマ流Ｆは低温低圧の気流であるので、圧力広がりも低減することができるため、分光における波長分解能は自然広がりに支配されるようになる。
【００３４】
ここで、本発明に係る同位体分析装置１のプラズマ生成部であるカソード１１０とアノード１２０のより詳細な構成について説明する。図２は本発明の実施形態に係る同位体分析装置１のカソード１１０とアノード１２０を抜き出して示す図である。
【００３５】
カソード１１０は、円柱状部１１１と、この円柱状部１１１から延在する円錐先端部１１３を有する形状となっている。一方、アノード１２０は、カソード１１０の円錐先端部１１３と離間して対向する第１円錐凹部１２１と、第１円錐凹部１２１から延在するスロート部１２２と、スロート部１２２から延在する第２円錐凹部１２４とを有する形状となっている。
【００３６】
円錐先端部１１３と第１円錐凹部１２１と間で発生したプラズマは、カソード１１０が配されている空間とチャンバ部１０７（１０-1Ｐａ程度）との間の圧力差により、φ１ｍｍ程度のスロート部１２２を通り、さらに末広ノズル状の第２円錐凹部１２４から図示下方に向けて流下される。
【００３７】
なお、本実施形態では、参照番号１１０で示した構成を「カソード」とし、参照番号１２０で示した構成を「アノード」として利用する例につき説明したが、本発明に係る同位体分析装置１においては、参照番号１１０で示した構成を「アノード」とし、参照番号１２０で示した構成を「カソード」として利用することも可能である。
【００３８】
チャンバ部１０７の一方側には入射側ポート１３０が、また、この入射側ポート１３０と対向する他方側には出射側ポート１４０が設けられている。入射側ポート１３０と出射側ポート１４０には、レーザー光のＰ偏向成分のみを透過する一対のブリュスター窓１６０が配されることが好ましい。ブリュスター窓１６０の設置により、レーザー光の反射による損失を低減することが可能となる。なお、ブリュスター窓１６０は必須の構成要件ではなく、入射側ポート１３０と出射側ポート１４０には石英ガラスなどからなる窓を設けるようにすることもできる。
【００３９】
一対のブリュスター窓１６０のチャンバ部１０７外には、入射側高反射ミラー１５１及び出射側高反射ミラー１５２が配されている。入射側高反射ミラー１５１、出射側高反射ミラー１５２としては、例えばLayertec社製の反射率が99.97%より大きいものを用いることができる。
【００４０】
本発明に係る同位体分析装置１は、光キャビティー１５５を構成する入射側高反射ミラー１５１、出射側高反射ミラー１５２の反射率の向上に伴い検出感度が向上する。
【００４１】
なお、本発明に係る同位体分析装置１は、光キャビティー１５５による検出感度の向上とともに、ロックインアンプで二次高調波を検波することにより、さらなる検出感度の向上が可能となる。２０倍程度の信号強度の増幅が期待できる。
【００４２】
本発明に係る同位体分析装置１においては、入射側高反射ミラー１５１と、出射側高反射ミラー１５２とによって光共振器が形成されるようになっている。本発明では、このような光共振器における多重反射を利用し、超音速プラズマ流Ｆを構成する元素による吸収回数を増やすことで、出力信号を増幅し、レーザー吸収分光の高感度化を実現可能する。
【００４３】
アノード１２０の第２円錐凹部１２４から硫化する超音速プラズマ流Ｆは、入射側高反射ミラー１５１と出射側高反射ミラー１５２との対からなる光キャビティー１５５の空間まで到達し、入射側高反射ミラー１５１と出射側高反射ミラー１５２との間を略１軸上で往復するレーザー光に晒されることとなる。
【００４４】
入射側高反射ミラー１５１と出射側高反射ミラー１５２との間を往復するレーザー光は、入射側高反射ミラー１５１から入射するようになっている。次に、入射側高反射ミラー１５１から入射するレーザー光の生成について説明する。
【００４５】
入射側高反射ミラー１５１から入射されるレーザー光の光源としては、半導体レーザーなどのレーザー光源５を用いるが、その他の種類のレーザー光源を用いるようにしてもよい。ただし、超音速プラズマ流Ｆを構成する元素の吸収率を観測するために、レーザー光源としては、縦モードシングルのものを利用することが好ましい。
【００４６】
レーザー光源５から、出射したレーザー光は、アイソレータ１０に入射される。アイソレータ１０は、レーザー光を一方向だけに透過させ、レーザー光の反射などによる戻り光を防止するものである。このようなアイソレータ１０により、戻り光がレーザー光源５に再入射することが無くなり、レーザー光源５を安定的に運用することが可能となる。
【００４７】
アイソレータ１０から出射したレーザー光は、続いて、第１ビームスプリッター１１に入射する。第１ビームスプリッター１１に入射したレーザー光の一部は反射することで分岐され、この分岐光路上に設けられているエタロン２０に入射する。続いて、エタロン２０から出射したレーザー光は、フォトディテクタ２１に入射する。フォトディテクタ２１による検出情報は、オシロスコープ７０に入力され、エタロンマーカーとして分析に供される。フォトディテクタ２１としては、例えばThorlab 社製DET10A/Mを用いることができる。なお、本実施形態では、エタロン２０から出射したレーザー光をフォトディテクタ２１によって検出しているが、その他の検出器を用いるようにしてもよい。
【００４８】
超音速プラズマ流Ｆを構成する元素の吸収率を観測することによって得られる吸収信号はオシロスコープ７０を用いて時間軸で観測しているが、スペクトル幅は波長（周波数）の単位であるために、解析時には波長軸に補正する必要がある。エタロン２０は高反射ミラーを両側に設けた光キャビティーであり、決められた波長幅でレーザー光が強め合うことを利用している。
【００４９】
超音速プラズマ流Ｆを実際に観測する際に同位体スペクトルを高精度に判別するためには、この波長幅をプラズマの両端（入射側高反射ミラー１５１、出射側高反射ミラー１５２）のそれと同程度にする必要がある。市販のエタロンではＧＨｚオーダーであることから、エタロン２０では高反射ミラーを用いてＭＨｚオーダーのエタロンマーカーを生成する。フォトディテクタ２１からの出力は、吸収信号と同時にオシロスコープ７０で観測される。
【００５０】
一方、第１ビームスプリッター１１を透過したレーザー光は、続いて、第２ビームスプリッター１２に入射する。第２ビームスプリッター１２に入射したレーザー光の一部は反射することで分岐され、この分岐光路上に設けられている光波長計３０に入射する。
【００５１】
レーザー光源５として利用している半導体レーザーは作動電流、温度による波長が異なるが、その波長を光源側で測定しているわけではない。そのため、電流、温度を制御しながら半導体レーザーの波長を分析対象の元素の波長に事前に合わせる必要があるため、光波長計３０を使用する。
【００５２】
第２ビームスプリッター１２を透過したレーザー光は、続いて、音響光学素子３５に入射する。高反射ミラーの実効的な反射率を計測するためには、レーザー光を高速で遮断し、レーザー光の減衰を観測する必要がある。音響光学素子３５は、その光スイッチとして使用される。音響光学素子３５としては、Isomet社製の1205C-2などを用いることができる。
【００５３】
また、櫛信号ごとの吸収率を計測するために、上記の音響光学素子３５によって、レーザー光を高速で遮断し、レーザー光の減衰を観測する。この減衰時間をリングダウンタイムと呼び、本発明においては、光キャビティー１５５内に吸収媒体が存在しない場合と存在する場合の差から吸収率を算出する。
【００５４】
音響光学素子３５を通過したレーザー光は、入射側ファイバカプラ４１に入射する。入射側ファイバカプラ４１に入射したレーザー光は、光ファイバ４０を経て、出射側ファイバカプラ４２から出射する。光キャビティー１５５における共振条件を満たすには、レーザー光のビーム径を小さくする必要があるため、光ファイバ４０としては、コア径の小さいシングルモードの光ファイバを使用することが好ましい。
【００５５】
レーザー光源５とチャンバ部１０７とが接近していると、チャンバ部１０７の排気に用いている機器の振動がレーザー光源５に影響を与えてしまう。そこで、本発明に係る同位体分析装置１において、光ファイバ４０を利用することで、レーザー光源５とチャンバ部１０７との間に適当な距離を確保するようにしている。
【００５６】
出射側ファイバカプラ４２から出射したレーザー光は、コリメートレンズ４６やモードマッチングレンズ４７などからなる光学系４５を経て、入射側高反射ミラー１５１に照射する。入射側高反射ミラー１５１に照射されたレーザー光の一部は、入射側高反射ミラー１５１を透過しチャンバ部１０７内に出射され、出射側高反射ミラー１５２との間を１軸上で往復する。
【００５７】
なお、チャンバ部１０７内に入射される光を出射する前段の構成である光学系４５を「レーザー光入射部」と称することがある。
【００５８】
入射側高反射ミラー１５１と出射側高反射ミラー１５２との間を往復するレーザー光であって、出射側高反射ミラー１５２に進入する光の一部は、出射側高反射ミラー１５２を透過しチャンバ部１０７外に出射され、光電子増倍管５０に入射する。光電子増倍管５０から出力される電気信号は、オシロスコープ７０に入力される。なお、光電子増倍管５０を「光検出部」と称することがある。
【００５９】
オシロスコープ７０によって観測されたデータは、コンピューター８０に入力され、データ分析がなされる。コンピューター８０としては、例えば、演算機能、計時機能、データ蓄積機能、画像表示機能、発音機能、通信機能などを有する汎用のパーソナルコンピューターなどを用いることができる。オシロスコープ７０及びコンピューター８０の構成を「スペクトル信号変換部」として称することもある。
【００６０】
本実施形態においては、出射側高反射ミラー１５２から出射される光を光電子増倍管５０で検出するように構成したが、出射側高反射ミラー１５２から出射される光の検出にはその他の構成を利用することもできる。
【００６１】
本発明に係る同位体分析装置１においては、超音速プラズマ流Ｆを構成する元素が光キャビティー１５５内でドップラーフリースペクトルを発現させるように制御することが特徴である。
【００６２】
図３はドップラーフリースペクトルの原理を説明する模式図である。また、図４はドップラーフリースペクトル発現の有無によるスペクトルの相違を示す図である。
【００６３】
図３においては、ランダムに運動する元素（超音速プラズマ流Ｆを構成する元素）と、その中を複数回往復するレーザー光を模式的に示している。各元素は様々な方向に運動しているが、レーザー光の進行方向に対して略垂直な方向に移動している元素は、ドップラー効果の影響を受けることがない。このため、図４に示すように、ドップラーフリースペクトルが発現することにより、吸収率の波長依存性には極小値が認められるようになる。これにより、分析対象となる元素に種々の同位体が存在するような場合には、それぞれの同位体の存在比率の分析を行い際の分解能が飛躍的に向上する。ここで略垂直とは、例えば９０°±５°を言う。
【００６４】
そこで、本発明に係る同位体分析装置１においては、オシロスコープ７０及びコンピューター８０では、特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うようにする。
【００６５】
光キャビティー１５５内でドップラーフリースペクトルを発現させることができれば、従来温度に支配されるドップラー広がり（ガウス分布）に対して、１００分の１程度まで波長分解能を向上できる自然広がりを検出することができる。この自然広がりは、ガウス分布の中に窪みとして、同位体ごとに発現するため、温度の影響を受けずに高精度な同位体スペクトルを検出することができる。
【００６６】
ここで、仮に、反射率９９．９９％の入射側高反射ミラー１５１、出射側高反射ミラー１５２を用いて光キャビティー１５５を構成した場合、光キャビティー１５５内部でレーザー光は１０，０００倍に増幅される。入射側高反射ミラー１５１から１μＷ／ｍｍ2のレーザー光を入射した場合、光キャビティー１５５内部では１０ｍＷ／ｍｍ2の強度を有することとなる。一例として、アルゴンの吸収ライン８４２ｎｍの場合を考えると、約２３０μＷ／ｍｍ2でレーザー光の効果が現れてくる。
【００６７】
この１０倍の２．３ｍＷ／ｍｍ2まで光キャビティー１５５内部での強度を上げることで効果を顕著にみることができることが期待できる。なお、この計算には、圧力条件が必要となるため、チャンバ部１０７の圧力として１０Ｐａを用いている。
【００６８】
以上より、９９．９９％の入射側高反射ミラー１５１、出射側高反射ミラー１５２を用いた場合、０．２μＷ／ｍｍ2のレーザー光を光キャビティー１５５に入射することでドップラーフリースペクトルを発現させることができる。
【００６９】
以上、本発明に係る同位体分析装置１は、特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うので、本発明に係る同位体分析装置１によれば、低濃度試料による分析でも高い精度で同位体の分析を行うことが可能となる。
【００７０】
また、本発明に係る同位体分析装置１によれば、装置を小型化し可搬式とすることが可能となり、例えば、オンサイトでの分析を実現することができる。このような効果によれば、汚染土壌などのモニタリングを現地にて迅速に行うことが可能となる。
【００７１】
また、本発明に係る同位体分析装置１によれば、各同位体のスペクトルを判別することが可能となり、微量同位体の識別を行うことができるようになる。
【００７２】
また、本発明に係る同位体分析方法は、特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うので、本発明に係る同位体分析方法によれば、低濃度試料による分析でも高い精度で同位体の分析を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００７３】
１・・・同位体分析装置
５・・・レーザー光源
１０・・・アイソレータ
１１・・・第１ビームスプリッター
１２・・・第２ビームスプリッター
２０・・・エタロン
２１・・・フォトディテクタ
３０・・・光波長計
３５・・・音響光学素子
４０・・・光ファイバ
４１・・・入射側ファイバカプラ
４２・・・出射側ファイバカプラ
４５・・・光学系（レーザー光入射部）
４６・・・コリメートレンズ
４７・・・モードマッチングレンズ
５０・・・光電子増倍管
７０・・・オシロスコープ（スペクトル信号変換部）
８０・・・コンピューター（スペクトル信号変換部）
１００・・・本体部
１０３・・・気体供給部
１０５・・・試料供給部
１０７・・・チャンバ部
１１０・・・カソード
１１１・・・円柱状部
１１３・・・円錐先端部
１１９・・・カソードホルダー
１２０・・・アノード
１２１・・・第１円錐凹部
１２２・・・スロート部
１２４・・・第２円錐凹部
１３０・・・入射側ポート
１４０・・・出射側ポート
１５１・・・入射側高反射ミラー
１５２・・・出射側高反射ミラー
１５５・・・光キャビティー
１６０・・・ブリュスター窓
１９０・・・排気ポート
ａ・・・不活性ガス
ｂ・・・試料
Ｆ・・・超音速プラズマ流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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