(57)【要約】【課題】サンプルガスに含まれる各同位体の濃度を連続的に測定することができ、かつ、小型の同位体濃度測定装置、及び同位体濃度の測定方法を提供する。【解決手段】同一分子の二種類の同位体のみからなるサンプルガス中の各同位体の濃度を測定する装置１であって、サンプルガスが流れる供給配管１０と、前記供給配管１０に設けられた体積流量計２０と、前記供給配管１０に、前記体積流量計２０と直列に設けられた質量流量計３０と、前記供給配管１０に設けられた温度測定器４０と、前記供給配管１０に設けられた圧力測定器５０と、前記体積流量計２０、前記質量流量計３０、前記温度測定器４０、及び前記圧力測定器５０の各測定値を基に、前記各同位体の濃度を演算する演算部６０と、を有する同位体濃度測定装置１。【選択図】図１
2018146334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一分子の二種類の同位体のみからなるサンプルガス中の各同位体の濃度を測定する装置であって、
サンプルガスが流れる供給配管と、
前記供給配管に設けられた体積流量計と、
前記供給配管に、前記体積流量計と直列に設けられた質量流量計と、
前記供給配管に設けられた温度測定器と、
前記供給配管に設けられた圧力測定器と、
前記体積流量計、前記質量流量計、前記温度測定器、及び前記圧力測定器の各測定値を基に、前記各同位体の濃度を演算する演算部と、を有する同位体濃度測定装置。
【請求項２】
同一分子の二種類の同位体のみからなるサンプルガス中の各同位体の濃度を測定する方法であって、
前記サンプルガスの体積流量を測定する工程と、
前記サンプルガスの質量流量を測定する工程と、
前記サンプルガスの温度を測定する工程と、
前記サンプルガスの圧力を測定する工程と、
前記体積流量、前記質量流量、前記温度、及び前記圧力の各測定値を基に、前記各同位体の濃度を演算する工程と、を有する同位体濃度の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同位体濃度測定装置、及び同位体濃度の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中性子数が互いに異なる安定同位体元素は、自然界で一定の割合で存在している。かかる安定同位体元素から構成される同位体分子の存在比、及び濃度を分析する方法として、特許文献１，２の方法が知られている。
【０００３】
特許文献１は、多重反射光学吸収セル内のサンプルガスにレーザを照射し、サンプルガスに含まれる各同位体が吸収した吸収スペクトルを分析することによって、各同位体の濃度を測定する方法を開示している。
また、特許文献２には、四重極型質量分析計を用いることによって、サンプルガスに含まれる各同位体の濃度を測定する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５９２７２４４号公報
【特許文献２】特開２００８−２９８５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２に記載の技術は、同位体の濃度測定を行うたびに、測定対象のサンプルガスの所定量を測定装置内に封入する必要がある。そのため、サンプルガスを供給源から装置内に流しながら、サンプルガスに含まれる各同位体の濃度を、連続的に測定することができなかった。
また、多重反射光学吸収セル、及び四重極型質量分析計は大規模な機器であるため、装置を持ち運んで測定を行うことができず、特許文献１，２に記載の技術は装置の小型化に改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、サンプルガスに含まれる各同位体の濃度を連続的に測定することができ、かつ、小型の同位体濃度測定装置、及び同位体濃度の測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
すなわち、請求項１にかかる発明は、同一分子の二種類の同位体のみからなるサンプルガス中の各同位体の濃度を測定する装置であって、サンプルガスが流れる供給配管と、前記供給配管に設けられた体積流量計と、前記供給配管に、前記体積流量計と直列に設けられた質量流量計と、前記供給配管に設けられた温度測定器と、前記供給配管に設けられた圧力測定器と、前記体積流量計、前記質量流量計、前記温度測定器、及び前記圧力測定器の各測定値を基に、前記各同位体の濃度を演算する演算部と、を有する同位体濃度測定装置である。
【０００８】
請求項２にかかる発明は、同一分子の二種類の同位体のみからなるサンプルガス中の各同位体の濃度を測定する方法であって、前記サンプルガスの体積流量を測定する工程と、前記サンプルガスの質量流量を測定する工程と、前記サンプルガスの温度を測定する工程と、前記サンプルガスの圧力を測定する工程と、前記体積流量、前記質量流量、前記温度、及び前記圧力の各測定値を基に、前記各同位体の濃度を演算する工程と、を有する同位体濃度の測定方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、サンプルガスに含まれる各同位体の濃度を、サンプルガスを装置内に流しながら、連続的に測定することができ、かつ、小型で持ち運ぶことが容易な同位体濃度測定装置、及び同位体濃度の測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を適用した実施形態に係る同位体濃度測定装置の構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した一実施形態の同位体濃度測定装置、及び同位体濃度の測定方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。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している場合があり、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。
【００１２】
［同位体濃度測定装置］
まず、本発明を適用した一実施形態である同位体濃度測定装置１の構成について説明する。
図１は、同位体濃度測定装置１の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、同位体濃度測定装置１は、サンプルガスが流れる供給配管１０と、前記供給配管１０に設けられた体積流量計２０と、前記供給配管１０に設けられた質量流量計３０と、前記供給配管１０に設けられた温度測定器４０と、前記供給配管１０に設けられた圧力測定器５０と、前記体積流量計２０、前記質量流量計３０、前記温度測定器４０、及び前記圧力測定器５０の各測定値を基に、前記各同位体の濃度を演算する演算部６０とを備え概略構成されている。
以下に同位体濃度測定装置１の各構成要素に関して詳しく説明を行う。
【００１３】
供給配管１０は、サンプルガスの供給源（図示略）と接続されている。供給配管１０にはサンプルガスがサンプルガスの供給源（図示略）から連続的に供給されている。供給されたサンプルガスが供給配管１０を流れる。
供給配管１０の材料は、測定対象となる同位体分子のガスと反応しない材質であれば、公知の材料を用いることができる。供給配管１０の材料の具体例としては、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼、樹脂製のチューブ等が挙げられるが、これに限定されない。
供給配管１０の外径、及び内径についても特に制限されない。
供給配管１０内を流れ、各測定器による測定を終えたサンプルガスは、サンプルガスの供給源（図示略）に戻してもよく、同位体濃度測定装置１の系外に放出してもよい。
【００１４】
体積流量計２０は、供給配管１０に設けられている。体積流量計２０は、供給配管１０内を流れるサンプルガスの体積流量を測定する。なお、体積流量とは単位時間あたりに流れる流体の体積を意味する。
体積流量計２０は、電気的に演算部６０と接続されている。体積流量計２０は、測定した体積流量を演算部６０に送信する。
体積流量計２０としては、測定対象となるサンプルガスの体積流量を測定でき、測定結果を演算部６０に送信できるものであれば、公知の測定器を用いることができる。体積流量計２０の具体例としては、容積式流量計（株式会社オーバル製「型式ＧＡＬ５５Ｌ３−ＥＸ７−３０Ａ」）等が挙げられるが、これに限定されない。
【００１５】
質量流量計３０は、供給配管１０に設けられている。質量流量計３０は、供給配管１０内を流れるサンプルガスの質量流量を測定する。なお、質量流量とは単位時間あたりに流れる流体の質量を意味する。
質量流量計３０は、電気的に演算部と接続されている。質量流量計３０は、測定した質量流量を演算部６０に送信する。
質量流量計３０としては、測定対象となるサンプルガスの質量流量を測定でき、測定結果を演算部６０に送信できるものであれば、公知の測定器を用いることができる。質量流量計３０の具体例としては、コリオリ式流量計（株式会社オーバル製「型式ＣＡ００３」）等が挙げられるが、これに限定されない。
【００１６】
質量流量計３０は、供給配管１０に体積流量計２０と直列に設けられている。供給配管１０に質量流量計３０が、体積流量計２０と直列に設けられているので、サンプルガスが供給配管１０内を安定して流れている条件の下であれば、同一のサンプルガスの流体について体積流量と、質量流量とが測定される。
【００１７】
温度測定器４０は、供給配管１０に設けられている。温度測定器４０は、供給配管１０内を流れるサンプルガスの温度を測定する。
温度測定器４０は、電気的に演算部６０と接続されている。温度測定器４０は、測定した温度を演算部６０に送信する。
温度測定器４０としては、測定対象となるサンプルガスの温度を測定でき、測定結果を演算部６０に送信できるものであれば、公知の測定器を用いることができる。温度測定器４０の具体例としては、温度センサー、熱電対等が挙げられるが、これに限定されない。
【００１８】
圧力測定器５０は、供給配管１０に設けられている。圧力測定器５０は、供給配管１０内を流れるサンプルガスの圧力を測定する。
圧力測定器５０は、電気的に演算部６０と接続されている。圧力測定器５０は、測定した圧力を演算部６０に送信する。
圧力測定器５０としては、測定対象となるサンプルガスの圧力を測定でき、測定結果を演算部６０に送信できるものであれば、公知の測定器を用いることができる。圧力測定器５０の具体例としては、圧力センサー等が挙げられるが、これに限定されない。
【００１９】
演算部６０は、体積流量計２０、質量流量計３０、温度測定器４０、及び圧力測定器５０とそれぞれ電気的に接続されており、各流量計、及び各測定器から測定値を受信する。
演算部６０は、前記体積流量計２０、前記質量流量計３０、前記温度測定器４０、及び前記圧力測定器５０の各測定値を基に、サンプルガス中の同一分子の二種類の各同位体の濃度を演算し、算出する。
演算部６０としては、加減乗除等の算術演算機能と、算出した各同位体の濃度を保存する機能とを有するものであれば、公知の演算器を用いることができる。演算部６０の具体例としては、マイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータ等が挙げられるが、これに限定されない。
【００２０】
なお、本発明の同位体濃度測定装置では、供給配管１０に体積流量計２０、質量流量計３０、温度測定器４０、及び圧力測定器５０が設けられる順序は、上述の実施形態に限定されない。すなわち、体積流量計２０、質量流量計３０、温度測定器４０、及び圧力測定器５０が供給配管１０に設けられる順序は任意である。
【００２１】
［同位体濃度の測定方法］
次に、実施形態の同位体濃度の測定方法の一例について、説明する。
実施形態の同位体濃度の測定方法は、同一分子の二種類の同位体のみからなるサンプルガス中の各同位体の濃度を測定する方法であって、前記サンプルガスの体積流量を測定する工程と、前記サンプルガスの質量流量を測定する工程と、前記サンプルガスの温度を測定する工程と、前記サンプルガスの圧力を測定する工程と、前記体積流量、前記質量流量、前記温度、及び前記圧力の各測定値を基に、前記各同位体の濃度を演算する工程と、を有する同位体濃度の測定方法である。
【００２２】
サンプルガスは、同一分子の二種類の同位体のみからなる。すなわち、サンプルガスは、同一分子であって、質量数が互いに異なる２種類の同位体分子のみを含むガスである。ここで、同一分子とは、同一の元素組成を有する分子を意味する。サンプルガスの具体例として、２種類の水素分子（Ｈ２）の同位体のみからなるガス、２種類の酸素分子（Ｏ２）の同位体のみからなるガス、２種類の窒素分子（Ｎ２）の同位体のみからなるガス、２種類の水分子（Ｈ２Ｏ）の同位体のみからなるガス、２種類の二酸化炭素分子（ＣＯ２）の同位体のみからなるガス、２種類の一酸化炭素分子（ＣＯ）の同位体のみからなるガス、及び２種類のメタン分子の（ＣＨ４）の同位体のみからなるガス等が挙げられるが、これらに限定されない。サンプルガスとしては、自然界に同位体が存在する元素から構成される気体分子であれば特に制限されない。２種類の酸素分子（Ｏ２）の同位体のみからなるガスとしては、１６Ｏ２と１８Ｏ２のみを含むガス、１７Ｏ２と１８Ｏ２のみを含むガス、１８Ｏ２と１６Ｏ２のみを含むガス等が挙げられるがこれらに限定されない。
【００２３】
実施形態の同位体濃度の測定方法について、同位体濃度測定装置１を用いて説明する。同一分子の二種類の同位体のみからなるサンプルガスは、サンプルガスの供給源（図示略）から供給配管１０に供給され、供給配管１０内を安定して流れている。
前記サンプルガスの体積流量を測定する工程は、体積流量計２０によって測定を行う工程である。体積流量計２０によって、供給配管１０内を流れるサンプルガスの体積流量が測定される。測定された体積流量の値は演算部６０に送信される。
【００２４】
前記サンプルガスの質量流量を測定する工程は、質量流量計３０によって測定を行う工程である。質量流量計３０によって、供給配管１０内を流れるサンプルガスの質量流量が測定される。測定された質量流量の値は演算部６０に送信される。
【００２５】
サンプルガスが供給配管１０内を安定して流れている条件の下で、同一のサンプルガスの流体について体積流量と、質量流量とを測定する。
【００２６】
前記サンプルガスの温度を測定する工程は、温度測定器４０によって測定を行う工程である。温度測定器４０によって、供給配管１０内を流れるサンプルガスの温度が測定される。測定された温度の値は演算部６０に送信される。
【００２７】
前記サンプルガスの圧力を測定する工程は、圧力測定器５０によって測定を行う工程である。圧力測定器５０によって、供給配管１０内を流れるサンプルガスの圧力が測定される。測定された圧力の値は演算部６０に送信される。
【００２８】
前記体積流量、前記質量流量、前記温度、及び前記圧力の各測定値を基に、前記各同位体の濃度を演算する工程は、演算部６０によって演算を行う工程である。
演算部６０は、以下に示す算出手段に従って、各同位体の濃度を演算し、算出する。
【００２９】
演算部６０は、以下の算出手段に従って、各同位体の濃度を演算し、算出する。
同一分子の二種類の同位体を同位体（イ）、同位体（ロ）とする。同位体（イ）の分子量をｍ１［ｕ］、同位体（ロ）の分子量をｍ２［ｕ］とし、サンプルガスの平均分子量をｍ［ｕ］とする。
また、サンプルガスの温度をＴ［Ｋ（ケルビン）］、圧力をＰ［ａｔｍ］、体積流量をＶ［Ｌ／ｍｉｎ］、質量流量をＭ［ｇ／ｍｉｎ］とする。さらに、気体定数をＲ［Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ］とする。
ここで、同位体（イ）のサンプルガス中の濃度をＸ［−］とすると、同位体（ロ）の濃度は（１−Ｘ）［−］となる。
単位時間当たりの理想気体の状態方程式は下記式（１）で表される。
【００３０】
【数１】
2018146334.tif 000003
【００３１】
なお、上記式（１）中における「Ｐ」は、同一分子である同位体（イ）と、同位体（ロ）との各圧力の総和として測定された圧力であり、上記式（１）中における「Ｖ」は、同一分子である同位体（イ）と、同位体（ロ）との各体積流量の総量として測定された体積流量である。
【００３２】
式（１）より、サンプルガスの平均分子量ｍは、下記式（２）で表される。
【００３３】
【数２】
2018146334.tif 000004
【００３４】
一方、同位体（イ）と同位体（ロ）との濃度より、平均分子量ｍは下記式（３）で表される。
【００３５】
【数３】
2018146334.tif 000005
【００３６】
上記式（２）と上記式（３）より、平均分子量ｍについて下記式（４）の計算を行うことができる。
【００３７】
【数４】
2018146334.tif 000006
【００３８】
式４より、同位体（イ）の濃度Ｘ［−］は、下記式（５）により算出される。
【００３９】
【数５】
2018146334.tif 000007
【００４０】
なお、本発明の同位体濃度の測定方法では、前記サンプルガスの体積流量を測定する工程と、前記サンプルガスの質量流量を測定する工程と、前記サンプルガスの温度を測定する工程と、前記サンプルガスの圧力を測定する工程の各工程を実施する順序は任意であり、どの工程から実施されてもよい。上記の各工程を実施した後に、前記体積流量、前記質量流量、前記温度、及び前記圧力の各測定値を基に、前記各同位体の濃度を演算する工程を実施する。
【００４１】
（作用効果）
以上の構成を有する同位体濃度測定装置１によれば、同位体の濃度測定を行うたびに、測定対象のサンプルガスを測定装置内のセル等に封入する必要がない。よって、サンプルガスを供給源から装置内に流しながら、サンプルガスに含まれる各同位体の濃度を、連続的に測定することができる。
【００４２】
また、同位体濃度測定装置１は多重反射光学吸収セル、及び四重極型質量分析計等の大規模な機器を有さないので、同位体濃度測定装置の小型化を図ることができる。よって、本発明によれば小型で持ち運ぶことが容易な同位体濃度測定装置が提供され、サンプルガスの同位体濃度の測定を簡便に行うことができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が加えられてよい。たとえば、主成分である同一分子の二種類の同位体の濃度測定に影響を与えないような微量の範囲内であれば、サンプルガスが、その他の不純物ガスを含むことを本発明は許容する。
【００４４】
＜実施例＞
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
【００４５】
（実施例１）
同一分子の二種類の同位体を、酸素分子の安定同位体１８Ｏ２と１６Ｏ２とする。サンプルガスは、１８Ｏ２と１６Ｏ２との混合ガスである。このとき、上記式（５）中、ｍ１＝３６［ｕ］、ｍ２＝３２［ｕ］である。
サンプルガスを図１に示す同位体濃度測定装置１の供給配管１０に供給した。このとき、供給配管１０内を流れるサンプルガスについて体積流量計２０、質量流量計３０、温度測定器４０、圧力測定器５０によって測定された各測定値は、体積流量が１５０［Ｌ／ｍｉｎ］、質量流量が１０８４［ｇ／ｍｉｎ］、温度が３００［Ｋ］、圧力が５．０［ａｔｍ］であった。なお、体積流量計２０として、容積式流量計（株式会社オーバル製「型式ＧＡＬ５５Ｌ３−ＥＸ７−３０Ａ」）を使用し、質量流量計３０として、コリオリ式流量計（株式会社オーバル製「型式ＣＡ００３」）を使用した。このとき、気体定数Ｒは０．０８２１［Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ］であるから、１８Ｏ２の濃度Ｘ[−]は、下記式（６）によって算出される。
【００４６】
【数６】
2018146334.tif 000008
【００４７】
上記式（６）より、サンプルガスの各同位体の濃度は、１８Ｏ２が９０％、１６Ｏ２が１０％と求められる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の同位体濃度測定装置及び同位体濃度の測定方法は、同位体分離等の産業分野に適用する際、特に利用可能性が高い。
【符号の説明】
【００４９】
１…同位体濃度測定装置、１０…供給配管、２０…体積流量計、３０…質量流量計、４０…温度測定器、５０…圧力測定器、６０…演算部
【図１】
2018146334.tif 000009