(57)【要約】【課題】本発明は、レーザ光の利用効率が向上するため、多光子解離による光化学反応を効率良く行うことの可能な光反応装置を提供することを課題とする。【解決手段】レーザ光によりプロセスガスを光化学反応させる光透過性反応容器１８を収容し、かつ楕円体とされた金属ミラー１６の第１の焦点１６Ａに、光透過性反応容器１８を配置すると共に、レーザ光を金属ミラー１６の第２の焦点１６Ｂを通過するように光ファイバ２６を配置する。【選択図】図２
2013123704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光によりプロセスガスを光化学反応させる光透過性反応容器と、
前記レーザ光を反射すると共に、前記光透過性反応容器を収容する楕円体とされた金属ミラーと、
前記光化学反応に使用するレーザ光を導入する光ファイバと、
前記金属ミラー及び極低温液体を収容可能な構成とされ、前記極低温液体により、前記金属ミラーの温度を極低温に保持するクライオスタットと、
を有し、
前記楕円体とされた前記金属ミラーの第１の焦点に、前記光透過性反応容器を配置すると共に、前記レーザ光が前記金属ミラーの第２の焦点を通過するように前記光ファイバを配置したことを特徴とする光化学反応装置。
【請求項２】
前記光透過性反応容器は、球体であり、
前記光透過性反応容器の中心と前記第１の焦点とを一致させることを特徴とする請求項１記載の光化学反応装置。
【請求項３】
前記レーザ光を照射する前記光ファイバの先端と前記第２の焦点とを一致させることを特徴とする請求項１または２記載の光化学反応装置。
【請求項４】
前記レーザ光が、半導体レーザ光、炭酸ガスレーザ光、チタンサファイヤレーザ光、ＹＡＧレーザ光、Ｎｄガラスレーザ光、ファイバーレーザ光、及び色素レーザ光よりなる群のうち、いずれか１つであることを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置。
【請求項５】
前記光透過性反応用容器と前記金属ミラーとの間に、真空断熱空間を有することを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置。
【請求項６】
前記金属ミラーを構成する金属が、金、銀、銅、アルミニウムのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置。
【請求項７】
前記金属の純度が、９９．９９９９以上であることを特徴とする請求項６記載の光化学反応装置。
【請求項８】
前記光透過性反応用容器の材質が、石英ガラスまたはアクリル樹脂であることを特徴とする請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置。
【請求項９】
前記石英ガラスが、純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする請求項８記載の光化学反応装置。
【請求項１０】
前記金属ミラーを構成する金属と同じ種類で、かつ前記金属ミラーを構成する金属よりも純度の低い金属よりなり、前記クライオスタットに収容されると共に、前記光透過性反応用容器を収容し、かつ楕円体とされた金属容器を有し、
前記金属容器の内面を覆うように前記金属ミラーを配置したことを特徴とする請求項１ないし９のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置。
【請求項１１】
前記クライオスタットに収容され、前記光透過性反応用容器を収容すると共に、前記レーザ光を透過し、かつ楕円体とされた石英ガラス容器を有し、
前記石英ガラス容器の内面、または前記石英ガラス容器の外面を覆うように、前記金属ミラーを配置したことを特徴とする請求項１ないし１０のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多光子吸収を利用した光化学反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を用いる光化学反応装置は、大別して２種類ある。1つは光化学反応セルと呼ばれる光化学反応容器にレーザ光を1度だけ通過させるｏｎｅ−ｐａｓｓ方式であり、もう１つはレーザ光を複数回反射させる多重反射(ｍｕｌｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ)方式である。
【０００３】
多重反射方式は、反射ミラーを設置し、位置決めなど光学的に複雑かつ精密さを必要とするが、レーザ光を光化学反応に効率よく利用できる。ガス分析用の市販の多重反射セル(例えば、Ｗｈｉｔｅｃｅｌｌ；Ｗｈｉｔｅは人名)では、光路長が２００〜３００ｍのものがあり、２００〜３００回反射させている。
光化学反応セルとしては、レーザ光の有効利用の観点から多重反射方式が有利である。
【０００４】
非特許文献１には、光化学反応を起こさせる方法として多光子解離（多光子吸収による解離反応）が開示されている。多光子吸収は、光子密度（フルーエンス[Ｊ／ｃｍ２]で表される、光強度[Ｗ／ｃｍ２]と光パルス幅[ｓ]との積）が大きい状態で瞬時に複数個の光子吸収が起きる現象である。
そのため、多光子解離を発生させるためには、光子密度の閾値を越える必要がある。光子密度の閾値は、レーザ照射される物質に依存した値がある。
【０００５】
非特許文献２には、多光子解離が観測された物質として、ＳＦ６、ＢＣｌ３、ＳｉＦ４、ＣＣｌ４、ＣＦ２Ｃｌ２、ＣＤ２Ｃｌ２、ＯｓＯ４、Ｈ２ＣＯ、ＵＦ６が記載されている。
【０００６】
また、非特許文献２には、レーザとして主に高出力のＴＥＡ ＣＯ２レーザ（波長１０μｍ）を用い、レンズ等でレーザ光を集光させ、集光位置でのフルーエンスが閾値を越えることで、多光子吸収による解離或いは分解反応を発生させている。
具体的には、炭酸ガスレーザをＳＦ６に照射し、多光子解離反応によりＳの安定同位体３４Ｓを濃縮した場合、フルーエンスの閾値は、約２J／ｃｍ２であることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｖ．Ｂ．Ｌａｐｔｅｖ，Ｅ．Ａ．Ｒｙａｂｏｖ ａｎｄ Ｌ. Ｍ．Ｔｕｍａｎｏｖａ“Ｌａｓｅｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ ｉｓｏｔｏｐｅｓ ｂｙ ＩＲ ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ (ＣＨ３)２Ｏ” Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ ４９, ７７−８３ (１９８９)．
【非特許文献２】先端レーザテクノロジー、レーザ学会編、日経技術図書（株）、ｐ．３９７ (１９９２)．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、多重反射方式の光化学反応セルについて考えると、ミラーの反射率が０．９０程度では、反射を１０回（５往復）させると、最終光強度は０．９０１０＝０．３５であり、ミラーにおける光損失は６５％となることから、光の利用効率をあまり大きくできないという問題がある。
【０００９】
例えば、室温（例えば、２０℃）において、波長１０００ｎｍにおける金（ｇｏｌｄ）ミラーの反射率は、０．９８であり、室温では大きな反射回数をとれない（反射回数５０回での最終光強度は、０．９８５０＝０．３６）。
【００１０】
また、反射回数が１０００回以上でも光損失が小さいようにするためには、反射率は０．９９９以上を必要とする（この場合の最終光強度は、０．９９９１０００＝０．３７）。例えば、反射率が０．９９９９で反射回数を１００００回とした場合、最終光強度は０．９９９９１００００＝０．３７となり、反射率が大きいほど反射回数を大きくすることができる。
【００１１】
誘電体多層膜は、０．９９９９以上の高い反射率を有するが、入射角が大きいと反射率が低下する問題がある。そのため、多重反射方式の光化学反応装置に誘電体多層膜を適用するためには、レーザの入射方法や光軸調整など難しい課題を有する。
【００１２】
例えば、キャビティーリングダウン分光分析に使用される誘電体多層膜は、０．９９９９以上の高い反射率を有する。しかし、初めに誘電体多層膜に光を透過させて入射させる方式をとる場合、透過率は数％以下であるため、透過損失が大きく、分光分析には使用できるが光化学反応には向いていない。
【００１３】
このように、高い反射率をもつミラーの種類が限られており、光化学反応におけるレーザ光の利用効率を高める方法が限られていた。
【００１４】
図４は、室温（例えば、２０℃）における金、銀、銅の反射率と波長との関係を示す図である。なお、図４は、理科年表データを引用したものである。
ところで、発明者らは多重反射セルへの金属ミラーの適用を鋭意検討した結果、以下の結論に至った。
図４に示すように、銀ミラーでは波長が５００ｎｍ以下になると反射率が低下し、金ミラー及び銅ミラーでは、波長が７００ｎｍ以下になると反射率が低下することから、７００ｎｍ以下の波長領域では、多重反射セルに金属ミラーを使用することは適さないことが判明した。
【００１５】
ここで、波長７００ｎｍの光子１個のエネルギー（以下、「光子エネルギー」という）は、１．８ｅＶであり、金属ミラーを備えた光化学反応装置では、１．８ｅＶ以下の光化学反応に限定されることを見出した。
【００１６】
したがって、本発明者らは、１．８ｅＶ以上の光化学反応において、レーザ光の利用効率を向上させるためには、波長の長いレーザ光（言い換えれば、光子エネルギーの小さいレーザ光）を照射し、瞬時に複数個の光子を吸収させる多光子吸収が有効であるという考えに至った。
【００１７】
そこで、本発明は、多光子解離を利用した１．８ｅＶ以上の光化学反応に対応可能な光化学反応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】
【００１８】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、レーザ光によりプロセスガスを光化学反応させる光透過性反応容器と、前記レーザ光を反射すると共に、前記光透過性反応容器を収容する楕円体とされた金属ミラーと、前記光化学反応に使用するレーザ光を導入する光ファイバと、前記金属ミラー及び極低温液体を収容可能な構成とされ、前記極低温液体により、前記金属ミラーの温度を極低温に保持するクライオスタットと、を有し、前記楕円体とされた前記金属ミラーの第１の焦点に、前記光透過性反応容器を配置すると共に、前記レーザ光が前記金属ミラーの第２の焦点を通過するように前記光ファイバを配置したことを特徴とする光化学反応装置が提供される。
【００１９】
また、請求項２に係る発明によれば、前記光透過性反応容器は、球体であり、前記光透過性反応容器の中心と前記第１の焦点とを一致させることを特徴とする請求項１記載の光化学反応装置が提供される。
【００２０】
また、請求項３に係る発明によれば、前記レーザ光を照射する前記光ファイバの先端と前記第２の焦点とを一致させることを特徴とする請求項１または２記載の光化学反応装置が提供される。
【００２１】
また、請求項４に係る発明によれば、前記レーザ光が、半導体レーザ光、炭酸ガスレーザ光、チタンサファイヤレーザ光、ＹＡＧレーザ光、Ｎｄガラスレーザ光、ファイバーレーザ光、及び色素レーザ光よりなる群のうち、いずれか１つであることを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置が提供される。
【００２２】
また、請求項５に係る発明によれば、前記光透過性反応用容器と前記金属ミラーとの間に、真空断熱空間を有することを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置が提供される。
【００２３】
また、請求項６に係る発明によれば、前記金属ミラーを構成する金属が、金、銀、銅、アルミニウムのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置が提供される。
【００２４】
また、請求項７に係る発明によれば、前記金属の純度が、９９．９９９９以上であることを特徴とする請求項６記載の光化学反応装置が提供される。
【００２５】
また、請求項８に係る発明によれば、前記光透過性反応用容器の材質が、石英ガラスまたはアクリル樹脂であることを特徴とする請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置が提供される。
【００２６】
また、請求項９に係る発明によれば、前記石英ガラスが、純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする請求項８記載の光化学反応装置が提供される。
【００２７】
また、請求項１０に係る発明によれば、前記金属ミラーを構成する金属と同じ種類で、かつ前記金属ミラーを構成する金属よりも純度の低い金属よりなり、前記クライオスタットに収容されると共に、前記光透過性反応用容器を収容し、かつ楕円体とされた金属容器を有し、前記金属容器の内面を覆うように前記金属ミラーを配置したことを特徴とする請求項１ないし９のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置が提供される。
【００２８】
また、請求項１１に係る発明によれば、前記クライオスタットに収容され、前記光透過性反応用容器を収容すると共に、前記レーザ光を透過し、かつ楕円体とされた石英ガラス容器を有し、前記石英ガラス容器の内面、または前記石英ガラス容器の外面を覆うように、前記金属ミラーを配置したことを特徴とする請求項１ないし１０のうち、いずれか１項記載の光化学反応装置が提供される。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の光化学反応装置によれば、レーザ光を反射すると共に、光透過性反応容器を収容する楕円体とされた金属ミラーを設け、金属ミラーの第１の焦点に光透過性反応容器を配置すると共に、レーザ光が金属ミラーの第２の焦点を通過するように光ファイバを配置することで、金属ミラーに反射されたレーザ光が第１の焦点に集光し、第１の焦点、及び第１の焦点の近傍において多光子解離に必要なフルーエンス（単位面積当たりの光子数）を得ることが可能（言い換えれば、光子密度の閾値を越えることが可能）となる。
これにより、多光子解離を用いて、１．８ｅＶ以上のエネルギーを必要とする光化学反応を行うことが可能となる。
【００３０】
また、楕円体の一方の焦点を通過する光は、楕円体の他方の焦点を通過する性質を有するので、第１の焦点を通過したレーザ光は、金属ミラーに反射されることで、第２の焦点と第１の焦点を交互に繰り返し通過する。
したがって、金属ミラーの温度を極低温に保持するクライオスタットを設けることで、金属ミラーの反射率が極限まで高くなり、レーザ光の利用効率が向上するため、多光子吸収による光化学反応を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】極低温における銅とアルミニウムとの比抵抗を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。
【図４】室温（例えば、２０℃）における金、銀、銅の反射率と波長との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
赤外及び近赤外(波長約８００ｎｍ以上)における金属の反射率は、下記（１）式に示すＨａｇｅｎ−Ｒｕｂｅｎｓの式で求められる。
【数１】
2013123704.tif 000003
上記（１）式において、Ｒは反射率、ε０は真空の誘電率［Ｆ／ｍ］、ｃは光速度［ｍ／ｓ］、λは光の波長［ｍ］、ρは電気比抵抗[Ωｍ]である。
【００３３】
ところで、波長λが一定のレーザ光について上記（１）式は、下記（２）式で表すことができる。
【数２】
2013123704.tif 000004
ここで、上記（２）式において、右辺第２項は渦電流損（ｅｄｄｙ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｌｏｓｓ）に当り、比抵抗が小さいほど反射率は大きくなる。光は電磁波であり、金属表面で光の磁場変化を打ち消すように渦電流が発生し、電気抵抗（＝比抵抗×長さ／断面積）によりエネルギー損失が起きる。完全伝導体（超伝導体ではなく仮想的な物質）では渦電流損はゼロで、全反射する（Ｒ＝１）。
【００３４】
例えば、純度の高い銅は、室温（例えば、２０℃）で比抵抗ρ≒１０−８Ωｍであり、波長λを１０００ｎｍとすると上記（１）式の右辺第２項は、０．０３６４となる。ゆえに、反射率Ｒは、下記（３）式に示す値となる。
【数３】
2013123704.tif 000005
【００３５】
図４を参照するに、波長が８００ｎｍ以上の領域において、比抵抗は銀＜銅＜金の順であり、反射率は銀＞銅＞金の順となっており、上記（２）式が成立している。
【００３６】
比抵抗ρは、下記（４）式で表され、Ｍａｔｔｈｉｅｓｓｅｎの法則(Ｍａｔｔｈｉｅｓｓｅｎ’ｓ  ｒｕｌｅ）に従い、温度Ｔ［Ｋ］が下がるにつれて小さくなる。また、極低温液体である液体ヘリウムの温度（４．２Ｋ）では、残留抵抗ρｒ[Ωｍ]と呼ばれる一定値になる。ρrは金属中の不純物、格子欠陥などに起因した値をとり、高純度であるほど極低温で小さい値となる。
【数４】
2013123704.tif 000006
上記式（４）において、ρｐｈ（Ｔ）は、ｐｈｏｎｏｎ散乱による項であり温度依存性がある。
【００３７】
図１は、極低温における銅とアルミニウムとの比抵抗を示す図である。なお、図１は、超伝導・低温工学ハンドブック（社団法人低温工学協会、（株）オーム社出版）から引用した（原出典はＨａｎｄｂｏｏｋ  ｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎａｒｙ  １９７７）の１０８４ページ参照。）。
図１に示すＲＲＲ（Ｒｅｓｉｄｕａｌ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ  Ｒａｔｉｏ）は、下記（５）式で表される。
【数５】
2013123704.tif 000007
【００３８】
図１に示すように、ＲＲＲ＝３００００が報告されており、この値を上記（２）式及び上記（３）式に代入すると、上記（１）式の右辺第２項は、０．０３６４√（１/３００００）＝０．０００２１となる。したがって、反射率Ｒは、下記（６）式に示すように、０．９９９７９となる。
【数６】
2013123704.tif 000008
【００３９】
このように、室温（例えば、２０℃）で反射率Ｒが０．９６の銅よりなる金属ミラーの温度が極低温となるように冷却することで、反射率Ｒを０．９９９７９（０．９９９９に近い値）まで高めることができる。また、この反射率Ｒは、光の入射角に依存しない優れた特徴がある。
【００４０】
さらに、金、銀、アルミニウムのうち、いずれかの材料よりなる金属ミラーについても、上記銅よりなる金属ミラーと同様に、室温（例えば、２０℃）で反射率Ｒが０．９〜０．９９の金属ミラーを極低温にすることにより、反射率Ｒを０．９９〜０．９９９、或いはそれ以上に高めることが可能となるので、極低温とされた金属ミラーを光化学反応に用いることで、光化学反応における光の利用効率を高めることができる。
【００４１】
また、上記金属ミラーの材料となる金属は、銅、金、銀、及びアルミニウムのうち、いずれか１つを用いることができる。
また、金属ミラーの材料となる金属としては、純度が９９．９９９９％以上とされた銅、金、銀、及びアルミニウム等が好ましい。
【００４２】
ここでは、液体ヘリウム（温度４．２Ｋ）を用いて、高純度の銅よりなる金属ミラーを冷却する場合を例に挙げて説明したが、反射率Ｒが０．９９９程度で良い場合には、金属ミラーの温度が４０Ｋ程度となるように冷却すればよい。
【００４３】
また、金属ミラーの温度が１００Ｋ程度となるように冷却した場合、反射率Ｒは０．９９に近い値となり、反射回数を１００回程度確保することが可能となるので、１００Ｋ程度に冷却された金属ミラーを光化学反応に用いることでも、光化学反応における光の利用効率を高めることができる。
【００４４】
さらに、金属ミラーを極低温にする一方、光化学反応を行う光化学反応セルの温度は、光化学反応に適した温度にする必要がある。
すなわち、光化学反応はガス状態で行うが、液体ヘリウムの温度では、ほとんどのガスが固化する問題があるためである。また、光化学反応セルの材質は、レーザ光を損失無く透過するものでなければならない。
【００４５】
上記問題を解決する手段として、光化学反応セル（後述する図２及び図３に示す光透過性反応用容器１８）の材質としては、光ファイバで使用される、純度が９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の合成石英ガラス、或いはアクリル樹脂等を使用することができる。
【００４６】
光化学反応を行なう際は、高純度の石英ガラスで製作された容器（後述する図２及び図３に示す光透過性反応用容器１８）内に、光化学反応を行うために必要なプロセスガスを封入し、金属ミラーと当該石英ガラス容器の間に真空断熱空間を設けるとよい。また、真空断熱空間に、熱伝導性の悪い希薄なガスを充填してもよい。
【００４７】
特に、光ファイバに使用される石英ガラスの光損失は、１ｋｍあたり数ｄＢと極めて小さく、反射ミラーの多重反射による光損失よりも非常に小さいため、問題とならない大きさである。また、光透過性反応用容器１８の表面（外面および内面の両方）においてレーザ光が数％反射（残りは光透過性反応用容器１８を透過）するが、この反射光は続いて金属ミラー或いは光透過性反応用容器１８で反射するなど、いずれは光透過性反応用容器１８内のプロセスガスに照射されるので、レーザ光は無駄なく利用される。
【００４８】
さらに、楕円体とされた金属ミラーの第１の焦点に、上記構成とされた光透過性反応容器１８を配置すると共に、レーザ光が金属ミラーの第２の焦点を通過するように光ファイバを配置することで、金属ミラーに反射されたレーザ光が第１の焦点に集光し、第１の焦点、及び第１の焦点の近傍において多光子解離に必要なフルーエンス（単位面積当たりの光子数）を得ることが可能（言い換えれば、光子密度の閾値を越えることが可能）となる。
これにより、多光子解離を用いて、１．８ｅＶ以上のエネルギーを必要とする光化学反応を行うことが可能となる。
【００４９】
また、楕円体の一方の焦点を通過する光は、楕円体の他方の焦点を通過する性質を有するので、第１の焦点を通過したレーザ光は、金属ミラーに反射されることで、第２の焦点と第１の焦点を交互に繰り返し通過する。
したがって、金属ミラーの温度を極低温に保持するクライオスタットを設けることで、金属ミラーの反射率が極限まで高くなり、レーザ光の利用効率が向上するため、多光子吸収による光化学反応を効率良く行うことができる。
【００５０】
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。
図２を参照するに、光化学反応装置１０は、クライオスタット１１と、真空ポンプ１２と、蓋体１４と、金属容器１５と、金属ミラー１６と、光透過性反応用容器１８と、真空断熱空間１９と、プロセスガス供給ライン２２と、ガス回収ライン２３と、排気ライン２４と、光ファイバ２６と、再液化装置２７と、管路２８と、を有する。
【００５１】
クライオスタット１１は、第１の容器３１と、第２の容器３２と、真空断熱空間３３と、を有する。第１の容器３１は、極低温液体１３を収容する容器である。
第２の容器３２は、第１の容器３１に対して離間した状態で、第１の容器３１の外壁を囲むように配置されている。第２の容器３２は、第１の容器３１を収容している。第２の容器３２は、第１の容器３１と一体に構成されている。
【００５２】
真空断熱空間３３は、第１の容器３１と第２の容器３２との間に設けられた気密された空間である。真空断熱空間３３は、真空とされており、真空ポンプ１２と接続されている。
このように、第１の容器３１と第２の容器３２との間に、真空断熱空間３３を設けることで、第１の容器３１に収容された極低温液体１３の温度が上昇すること抑制できる。
上記構成とされたクライオスタット１１は、極低温液体１３により、金属ミラー１６の温度を極低温（１００Ｋ以下）に冷却保持する。
【００５３】
冷却された金属ミラー１６の温度は、目的に応じて、１００Ｋ以下の範囲内で適宜選択することができる。また、極低温液体１３としては、例えば、液体ヘリウム（温度４．２Ｋ）を用いることができる。
【００５４】
蓋体１４は、クライオスタット１１の上端に設けられている。これにより、第１の容器３１内の空間３１Ａ（極低温液体１３、及び金属容器１５が収容される空間）は、気密されている。
【００５５】
金属容器１５は、極低温液体１３に浸漬するように、クライオスタット１１内（具体的には、第１の容器３１内）に収容されている。また、金属容器１５は、光透過性反応用容器１８を収容している。
金属容器１５は、金属ミラー１６を構成する金属と同じ種類で、かつ金属ミラー１６を構成する金属よりも純度の低い金属で構成されている。金属容器１５の材料となる金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウムのうち、いずれか１つの金属を用いることができる。
【００５６】
金属容器１５は、光透過性反応用容器１８を収容する楕円体（「回転楕円体」ともいう）とされている。これにより、金属容器１５は、２つの焦点を有する。
金属容器１５は、その一方の焦点が金属ミラー１６の後述する第１の焦点１６Ａと略一致し、かつ他方の焦点が金属ミラー１６の後述する第２の焦点１６Ｂと略一致するように配置されている。
金属容器１５は、図示していない細線ワイヤにより吊り下げられていることで、位置が固定されている。
【００５７】
金属ミラー１６は、楕円体とされた金属容器１５の内面１５ａを覆うように設けられている。これにより、金属ミラー１６は、楕円体とされている。このように、金属ミラー１６を楕円体とすることで、２つの焦点（第１及び第２の焦点１６Ａ，１６Ｂ）をつくり、該焦点近傍において容易に光子密度の閾値を越えて光化学反応を行うことができる。
【００５８】
金属ミラー１６は、光透過性反応用容器１８を収容している。つまり、金属ミラー１６は、光透過性反応用容器１８の外側に、光透過性反応用容器１８を囲むように配置される。
楕円体とされた金属ミラー１６は、第１及び第２の焦点１６Ａ，１６Ｂと、光ファイバ２６から照射されたレーザ光を反射する反射面１６ａ（金属ミラー１６の内面）と、を有する。
金属ミラー１６は、光ファイバ２６から照射されたレーザ光を反射することで、反射したレーザ光を光透過性反応用容器１８内に封入されたプロセスガスに照射する。
【００５９】
金属ミラー１６の材料となる金属としては、高純度の金、銀、銅、及びアルミニウム等を用いることができる。
金属ミラー１６の材料となる金属として、金、銀、銅、アルミニウム等を用いる場合、金属ミラー１６を構成する金属の純度は、例えば、９９．９９９９以上とすることができる。
【００６０】
例えば、液体ヘリウム（温度４．２Ｋ）により、純度が９９．９９９９以上とされた銅よりなる金属ミラー１６を冷却した場合、金属ミラー１６の反射面１６ａの反射率Ｒを０．９９９９以上にすることが可能となる。
これにより、多光子吸収による光化学反応を行う際、レーザ光を有効に利用することが可能となるので、多光子吸収による光化学反応を効率良く行うことができる。
【００６１】
金属ミラー１６としては、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)）法、めっき法、コーティング法、及び蒸着法等の方法により形成された金属膜（具体的には、金膜、銀膜、銅膜、アルミニウム膜等）を用いることができる。
【００６２】
金属ミラー１６として金属膜を非金属表面にコーティングする場合（後述する第２の実施の形態の場合）、該金属膜の厚さは、例えば、０．０２〜１０μｍとすることができる。
また、金属ミラー１６として金属膜を金属表面にコーティングする場合（第１の実施の形態の場合）、該金属膜の厚さは、例えば、２０ｎｍ〜１ｍｍ（或いは１ｍｍ以上）とすることができる。
【００６３】
光透過性反応用容器１８は、金属ミラー１６内に収容されている。光透過性反応用容器１８は、球体とされており、その内部に球状の反応室１８Ａを有する。反応室１８Ａは、プロセスガスにレーザ光を照射することで、光化学反応させるための空間である。
光透過性反応用容器１８は、楕円体とされた金属ミラー１６の第１の焦点１６Ａに配置されている。より具体的には、光透過性反応用容器１８は、光透過性反応用容器１８の中心１８Ｂと金属ミラー１６の第１の焦点１６Ａとが一致するように配置されている。
光透過性反応用容器１８は、図示していない細線ワイヤにより吊り下げられていることで、位置が固定されている。
【００６４】
光透過性反応用容器１８の材質としては、石英ガラスまたはアクリル樹脂を用いるとよい。また、光透過性反応用容器１８の材質として石英ガラスを用いる場合、純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラスを用いるとよい。
このように、光透過性反応用容器１８の材質として石英ガラス（高純度の石英ガラスも含む）またはアクリル樹脂を用いることで、レーザ光を低損失で透過させることができる。
【００６５】
真空断熱空間１９は、光透過性反応用容器１８と金属ミラー１６との間に設けられている。真空断熱空間１９は、真空とされた空間である。
このように、光透過性反応用容器１８と金属ミラー１６との間に、真空断熱空間１９を設けることで、極低温液体１３により光透過性反応用容器１８が冷却されにくくすることが可能となる。これにより、光透過性反応用容器１８内に供給されたプロセスガスが固化することを抑制できる。
【００６６】
プロセスガス供給ライン２２は、蓋体１４、金属容器１５、及び金属ミラー１６を貫通すると共に、反応室１８Ａと接続されている。プロセスガス供給ライン２２は、反応室１８Ａにプロセスガスを供給する。
【００６７】
ガス回収ライン２３は、蓋体１４、金属容器１５、及び金属ミラー１６を貫通すると共に、反応室１８Ａと接続されている。ガス回収ライン２３は、光化学反応後のガスを回収するためのラインである。
排気ライン２４は、蓋体１４、金属容器１５、及び金属ミラー１６を貫通すると共に、真空断熱空間１９と接続されている。排気ライン２４は、図示していない真空ポンプと接続されており、真空断熱空間１９を真空にする。
【００６８】
光ファイバ２６は、蓋体１４、金属容器１５、及び金属ミラー１６を貫通しており、光化学反応に使用するレーザ光を高出力で照射する先端２６Ａが真空断熱空間１９に配置されている。光ファイバ２６の先端２６Ａは、光ファイバ２６が照射したレーザ光が金属ミラー１６の第２の焦点１６Ｂを通過するように配置されている。
具体的には、光ファイバ２６の先端２６Ａ（より具体的には、レーザ光を照射するレーザ照射面）は、金属ミラー１６の第２の焦点１６Ｂと一致する位置に配置されている。
【００６９】
光ファイバ２６が照射するレーザ光としては、半導体レーザ光、炭酸ガスレーザ光、チタンサファイヤレーザ光、ＹＡＧレーザ光、Ｎｄガラスレーザ光、ファイバーレーザ光、及び色素レーザ光よりなる群のうち、いずれか１つを用いることができる。
このように、レーザ光として、半導体レーザ光、炭酸ガスレーザ光、チタンサファイヤレーザ光、ＹＡＧレーザ光、Ｎｄガラスレーザ光、ファイバーレーザ光、及び色素レーザ光を用いることで、光ファイバ２６を経由することに起因するレーザ光の損失を小さくすることができる。
【００７０】
光ファイバ２６としては、例えば、レーザ光を広がった状態で照射するものを用いることができるが、光ファイバ２６の先端２６Ａにレンズ（図示せず）を配置することで、レーザ光を平行光にしてもよい。
また、多光子吸収による解離反応を発生させる際に使用するレーザ光の波長領域としては、７００ｎｍ以上を用いる。
【００７１】
再液化装置２７は、クライオスタット１１及び蓋体１４の外部に設けられている。再液化装置２７は、蓋体１４を貫通し、かつ第１の容器３１内の空間３１Ａ（具体的には、極低温液体１３の液面１３ａよりも上方に位置する空間）と接続された管路２８と接続されている。
【００７２】
再液化装置２７は、蒸発した極低温液体１３をパルスチューブ式冷凍機あるいはギフォード・マクマホン式冷凍機などで冷却して再液化して極低温液体１３へ戻す装置である。
このように、第１の容器３１内に収容された極低温液体１３を再液化させる再液化装置２７を設けることにより、連続して極低温液体１３を冷却することが可能となるので、金属ミラー１６の温度を安定して極低温に保つことができる。
【００７３】
第１の実施の形態の光化学反応装置によれば、レーザ光を反射すると共に、光透過性反応容器１８を収容する楕円体とされた金属ミラー１６を設け、楕円体とされた金属ミラー１６の第１の焦点１６Ａに、光透過性反応容器１８を配置すると共に、光ファイバ２６を介して、レーザ光を金属ミラー１６の第２の焦点１６Ｂを通過するように導入することで、金属ミラー１６に反射されたレーザ光が第１の焦点１６Ａに集光し、第１の焦点１６Ａ、及び第１の焦点１６Ａの近傍において多光子解離に必要なフルーエンス（単位面積当たりの光子数）を得ることが可能（言い換えれば、光子密度の閾値を越えることが可能）となる。
したがって、多光子解離を用いて、１．８ｅＶ以上のエネルギーを必要とする光化学反応を行うことが可能となる。
【００７４】
また、楕円体の一方の焦点を通過する光は、楕円体の他方の焦点を通過する性質を有するので、第１の焦点１６Ａを通過したレーザ光は、金属ミラー１６に反射されることで、第２の焦点１６Ｂと第１の焦点１６Ａを交互に繰り返し通過する。
したがって、金属ミラー１６の温度を極低温に保持するクライオスタット１１を設けることで、金属ミラー１６の反射率が極限まで高くなり（例えば、金属ミラー１６を構成する銅の純度が９９．９９９９以上の場合の反射率は９９．９８％）、レーザ光の利用効率が向上（反射回数約１００００回までレーザ光を有効利用可能）するので、多光子解離による光化学反応を効率良く行うことができる。
【００７５】
なお、図２には、図示していないが、光透過性反応用容器１８の外壁に、ヒータ線を巻きつけてもよい。このように、光透過性反応用容器１８の外壁にヒータ線を巻きつけることで、反応室１８Ａを加熱することが可能となるので、反応室１８内の温度を光化学反応に適した温度に調整することができる。
【００７６】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光化学反応装置の概略構成を示す断面図である。図３において、図２に示す第１の実施の形態の光化学反応装置１０と同一構成部分には同一符号を付す。
【００７７】
図３を参照するに、第２の実施の形態の光化学反応装置４０は、第１の実施の形態の光化学反応装置１０に設けられた金属容器１５の替わりに、金属容器１５と同様な形状、つまり楕円体とされた石英ガラス容器４１を設けた以外は、第１の実施の形態の光化学反応装置１０と同様な構成とされている。
【００７８】
石英ガラス容器４１は、クライオスタット１１（具体的には、第１の空間３１）に収容され、光透過性反応用容器１８を収容している。
石英ガラス容器４１は、第１及び第２の焦点１６Ａ，１６Ｂと略一致する２つの焦点を有する。
石英ガラス容器４１は、レーザ光を透過し、かつ純度９９％以上、かつ光透過損失０．１ｄＢ／ｍ以下の高純度の石英ガラスにより構成されている。石英ガラスは、金属（例えば、金、銀、銅、アルミニウム等）と比較して熱容量を小さくできる。
【００７９】
金属ミラー１６は、石英ガラス容器４１の外面４１ｂを覆うように設けられている。金属ミラー１６としては、コーティング法または蒸着法により形成された金属膜（例えば、純度が９９．９９９９％以上とされた金膜、銀膜、銅膜、アルミニウム膜等）を用いることができる。該金属膜の厚さは、例えば、０．０２〜１０μｍとすることができる。
【００８０】
第２の実施の形態の光化学反応装置によれば、金属容器１５に替えて、光透過性反応用容器１８を収容する石英ガラス容器４１を設けることにより、石英ガラスは金属と比較して熱容量が小さいため、極低温液体１３により金属ミラー１６を効率良く冷却することができる。
また、石英ガラス容器４１の外面４１ｂに金属ミラー１６を設けることにより、石英ガラス容器４１と金属ミラー１６との熱膨張係数の違いによる引張応力を小さくすることが可能となるので、金属ミラー１６の反射率Ｒの低下を抑制できる。
【００８１】
なお、第２の実施の形態の光化学反応装置４０において、ヒータ線（図示せず）を設けてもよい。
また、第２の実施の形態では、石英ガラス容器４１の外面４１ｂを覆うように金属ミラー１６を設けた場合を例に挙げて説明したが、石英ガラス容器４１の外面４１ｂではなく、石英ガラス容器４１の内面４１ａを覆うように金属ミラー１６を設けてもよい。その際には、ガラス容器４１の材質は、石英ガラスである必要はなく、低温で使用できるパイレックガラスなどで十分である。
【００８２】
このような構成とされた光化学反応装置は、第２の実施の形態の光化学反応装置４０と同様な効果を得ることができる。
【００８３】
以上、本発明の好ましい実施の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るものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００８４】
例えば、第１及び第２の実施の形態の光化学反応装置１０，４０は、多光子解離を起こすＳＦ６、ＢＣｌ３、ＳｉＦ４、ＣＣｌ４、ＣＦ２Ｃｌ２、ＣＤ２Ｃｌ２、ＯｓＯ４、Ｈ２ＣＯ、ＵＦ６等へも適用可能である。
また、第１及び第２の実施の形態の光化学反応装置１０，４０は、上記以外の物質でも多光子吸収による化学反応を起こすものにも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、多光子解離を利用した光化学反応装置及び光化学反応方法に適用可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１０，４０…光化学反応装置、１１…クライオスタット、１２…真空ポンプ、１３…極低温液体、１３ａ…液面、１４…蓋体、１５…金属容器、１５ａ，４１ａ…内面、１６…金属ミラー、１６ａ…反射面、１６Ａ…第１の焦点、１６Ｂ…第２の焦点、１８…光透過性反応用容器、１８Ａ…反応室、１９，３３…真空断熱空間、２２…プロセスガス供給ライン、２３…ガス回収ライン、２４…排気ライン、２６…光ファイバ、２６Ａ…先端、２７…再液化装置、２８…管路、３１…第１の容器、３１Ａ…空間、３２…第２の容器、４１…石英ガラス容器、４１ｂ…外面
【図１】
2013123704.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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