(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射された原子の励起挙動の解析を行なう原子励起挙動解析装置において、前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求める解析を行なう第１の解析手段と、前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求める第２の解析手段と、前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標を計算する解析モデル選択指標計算手段と、前記指標に基づいて前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を判定し前記解析手段のいずれかを選択する解析モデル選択手段とを備えてなり、前記解析モデル選択手段は前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合およびこのパルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合に前記第１の解析手段を選択し、それ以外の場合に前記第２の解析手段を選択することを特徴とする原子励起挙動解析装置。
【請求項２】
前記統計平均を求める解析を行なう解析手段は、ブロッホ方程式によって計算することを特徴とする請求項１に記載の原子励起挙動解析装置。
【請求項３】
多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射された原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標として、前記パルスレーザー光のパルス時間幅と前記パルスレーザー光間のパルス到達時間差、前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差、前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数および前記原子のドップラー分布幅とを計算する第１のステップと、前記パルス時間幅と前記パルス到達時間差とを用いて前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合に前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を有すると判定する第２のステップと、前記第２のステップで相関効果が無いと判定され前記パルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記ラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定する第３のステップと、前記第２のステップでパルスレーザー光間の相関効果があると判定した場合または前記第３のステップで前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第４のステップと、前記第３のステップでパルスレーザー光間の相関効果が緩和しないと判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第５のステップとを有することを特徴とする原子励起挙動解析方法。
【請求項４】
前記統計平均を求める解析は、ブロッホ方程式によって計算することを特徴とする請求項３に記載の原子励起挙動解析方法。
【請求項５】
多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射して原子を励起させる装置の制御を行なう原子励起制御装置において、前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求める解析を行なう第１の解析手段と、前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求める第２の解析手段と、前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標を計算する解析モデル選択指標計算手段と、前記指標に基づいて前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を判定し前記解析手段のいずれかを選択する解析モデル選択手段と、前記解析モデル選択手段により選択した第１の解析手段または第２の解析手段を用いて前記原子の励起効率を予測評価する手段と、前記原子の励起効率を予測評価した結果に基づきパルスレーザー光強度または原子蒸気量、あるいはその両方を制御する手段とを備えてなり、前記解析モデル選択手段は前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合およびこのパルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合に前記第１の解析手段を選択し、それ以外の場合に前記第２の解析手段を選択することを特徴とする原子励起制御装置。
【請求項６】
多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射された原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標として、前記パルスレーザー光のパルス時間幅と前記パルスレーザー光間のパルス到達時間差、前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差、前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数および前記原子のドップラー分布幅とを計算する第１のステップと、前記パルス時間幅と前記パルス到達時間差とを用いて前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合に前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を有すると判定する第２のステップと、前記第２のステップで相関効果が無いと判定され前記パルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記ラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定する第３のステップと、前記第２のステップでパルスレーザー光間の相関効果があると判定した場合または前記第３のステップで前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第４のステップと、前記第３のステップでパルスレーザー光間の相関効果が緩和しないと判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第５のステップと、第１のステップないし第５のステップにより前記原子の励起挙動を解析し前記原子の励起効率を予測評価する第６のステップと、前記原子の励起効率を予測評価した結果に基づきパルスレーザー光強度または原子蒸気量、あるいはその両方を制御する第７のステップとを備えたことを特徴とする原子励起制御方法。
【請求項７】
パルスレーザー光を発生するレーザー装置と、パルスレーザー光を多重反射する多重反射ミラーと、多重反射ミラーへ原子蒸気を発生する原子蒸気発生器と、前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求める解析を行なう第１の解析手段と、前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求める第２の解析手段と、前記多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射された原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標を計算する解析モデル選択指標計算手段と、前記指標に基づいて前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を判定し前記解析手段のいずれかを選択する解析モデル選択手段と、前記解析モデル選択手段により選択した第１の解析手段または第２の解析手段を用いて前記原子の励起効率を予測評価する手段と、前記原子の励起効率を予測評価した結果に基づき前記レーザー装置のパルスレーザー光強度または前記原子蒸気発生器の原子蒸気量、あるいはその両方を制御する手段とを備えてなり、前記解析モデル選択手段は前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合およびこのパルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合に前記第１の解析手段を選択し、それ以外の場合に前記第２の解析手段を選択することを特徴とする同位体分離装置。
【請求項８】
コンピュータを動作させるためのプログラムを記憶したコンピュータが読取り可能な記憶媒体において、前記プログラムは、多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射された原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標として、前記パルスレーザー光のパルス時間幅と前記パルスレーザー光間のパルス到達時間差、前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差、前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数および前記原子のドップラー分布幅とを計算する第１のステップと、前記パルス時間幅と前記パルス到達時間差とを用いて前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合に前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を有すると判定する第２のステップと、前記第２のステップで相関効果が無いと判定され前記パルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記ラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定する第３のステップと、前記第２のステップでパルスレーザー光間の相関効果があると判定した場合または前記第３のステップで前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第４のステップと、前記第３のステップでパルスレーザー光間の相関効果が緩和しないと判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第５のステップとを有することを特徴とする記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多重反射ミラー間を伝播するパルスレーザー光の多重照射による原子励起挙動の特性を解析する原子励起挙動解析装置とその解析方法と、その原子挙動解析を用いた原子励起の制御を行なう原子励起制御装置とその制御方法、同位体分離装置および記憶媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気原子に漏れなくパルスレーザー光を照射して原子を励起あるいは電離させようとする場合、図６のように蒸気原子の通過する領域を挟むように多重反射ミラー１１を配置し、この間で隙間なくパルスレーザー光を往復させて行なう。したがって、多重反射ミラー１１間を通過する蒸気原子は伝播方向が逆の２つのパルスレーザー光に照射される。そこで、原子の励起あるいは電離を計算する場合、この２つのパルスレーザー光によって合成された電場と原子の相互作用を解析しなければならない。２つのパルスレーザー光による合成電場を考える場合には以下の２点を考慮しなくてはいけない。
【０００３】
第１に、個々の原子の位置に２つのパルスレーザー光が到達する時刻が同じでない。
【０００４】
第２に、２つのパルスレーザー光の電場の位相は２つのパルスレーザー光の到達時刻の差に加えて、多重反射ミラー１１で往復する間の蒸気密度の変動や、機械的振動等による多重反射ミラー１１の微少変位によりパルスレーザー光の各パルス毎に異なる。
【０００５】
このうち第１の２つのパルスレーザー光の到達時刻の差は原子の位置により一意に決まるが、第２の２つのパルスレーザー光の電場の位相の差は、パルス発振繰り返し数の時間スケールでの蒸気密度や反射ミラー位置の統計的な揺らぎを考慮しなくてはならない。実際、5000Åのオーダーの波長のレーザーでは、この程度の多重反射ミラー１１の振動変位や蒸気密度揺らぎによる光学的伝播長の変動は十分予想されるため、２つのパルスレーザー光間の電場の位相差はパルス毎に０〜2πで全くランダムに変動するものと見なさなければならない。
【０００６】
一般に、レーザー光と原子の相互作用は、光学的ブロッホ方程式とも呼ばれる微分方程式で解析される。（例えば、P.W.MilonniとJ.H.Eberly著「LASERS」第８章，John Wiley & Sons社，１９８８参照。）この微分方程式を解析するにあたり統計的な揺らぎを考慮するため、微分方程式の解は統計平均されたものになる。一般に、ブロッホ方程式の統計平均量を解析的に解くことは困難である。したがって、乱数により２つのパルスレーザー光の電場の位相を無作為に設定して数値解析し、得られる平均値が収束するまで多数回繰り返し計算を行なわなければならない。
【０００７】
以下に微分方程式の解析において多数回の繰り返し計算が必要なことをイオン化を含む２レベル系の原子の励起挙動の解析について例示する。原子の励起挙動は、離調Δ、ラビ周波数Ω、イオン化速度Ｒにより、式（１）から式（４）のような微分方程式で表される。
【０００８】
【数１】
0003983954.tif 000002
【０００９】
ここで、ρ11は基底レベル密度、ρ22は励起レベル密度、ρ21およびρ12は原子によるパルスレーザー光の吸収や分散に関係する量である。また「・」、「＊」はそれぞれ時間微分、複素共役を意味する。
【００１０】
上式において、（１）、（２）を時間積分して式（３）および式（４）に代入することにより原子のレベル密度の時間挙動をあらわす式（５）および式（６）を得る。
【００１１】
【数２】
0003983954.tif 000003
【００１２】
ただし、式（６）右辺第２項の記号c.c.は右辺第１項の複素共役を略記したものである。
【００１３】
ここで、多重反射ミラー１１間を往復伝播する２つのパルスレーザー光それぞれの電界成分により、ラビ周波数Ωを式（７）のように分割して記述する。この時、式（６）の右辺第１項は式（８）のように２つのパルスレーザー光の４通りの相関を含む項に展開できる。
【００１４】
【数３】
0003983954.tif 000004
【００１５】
多重反射ミラー１１間を往復する２つのパルスレーザー光間の位相差がパルス毎に変動するので、我々が計測機器で観測できる原子励起挙動は変動する位相差に関して統計平均されたものとなる。そこで、統計平均を＜＞で表すと式（８）は式（９）のように書き下すことができる。
【００１６】
【数４】
0003983954.tif 000005
【００１７】
式（９）の統計平均量を解析的に導出することは困難なため、実際の評価においては乱数発生による多数回計算を行う。
なお、一般的には、式（９）右辺の統計平均量は下記式（１０）、（１１）のどちらの右辺とも等価ではない。
【００１８】
【数５】
0003983954.tif 000006
【００１９】
図７は２つのパルスレーザー光に照射される、式（１）から式（４）で表された２レベル系原子のイオン化挙動を、式（１０）あるいは式（１１）が成立するとして、イオン化率１−ρ11―ρ22を評価した場合と、式（９）の統計平均量を実際にブロッホ方程式を多数回繰り返し計算して評価した場合について比較したものである。この時の計算条件は、
ｔｐ＝３[nsec]、Ω＝０．２５[GHz]、Ｒ＝０．１[GHz]、Δ＝０[GHz]
ｔｐ：パルスレーザー光のパルス時間幅（ガウス型時間波形半値全幅）
Ω：パルスレーザー光により誘起されるピークラビ周波数
Ｒ：原子の励起レベルからのイオン化速度
Δ：パルスレーザー光周波数の原子共鳴周波数からの離調
とする。また、初期の原子は基底レベルにあるものとし、２つのパルスレーザー光が原子に照射されるパルス到達時間差は無く（同時照射）、パルスレーザー光の周波数掃引は無いものとする。
【００２０】
図７において３ケースとも違った結果となっており、このことはブロッホ方程式を多数回繰り返し計算する必要性を示している。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来の原子励起挙動解析方法においては、ブロッホ方程式の多数回の繰り返し計算を行なう必要がある。この時、原子の状態ベクトルの要素数が大きくなると、これに対応して計算に必要な計算メモリが大きくなり、その計算時間も長くなる。このため、実際にブロッホ方程式の多数回の繰り返し計算を実行することが困難になるという問題点があった。
【００２２】
また、同位体分離装置において同位体の分離効率を高めるためには、同位体の選択的なイオン化効率を高める必要がある。このため、パルスレーザー光強度および原子蒸気発生量を最適化する必要がある。そのため、任意のパルスレーザー光強度および原子蒸気発生量による原子励起挙動を解析する必要があるが、上述のように従来の原子励起解析方法においては、計算機メモリや計算時間等の計算資源を多く必要とするため、パルスレーザー光強度および原子蒸気発生量を十分に最適化することが困難であった。
【００２３】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、計算機メモリや計算時間等の計算資源を節約することのできる原子励起挙動解析方法、ならびに前記原子励起挙動解析方法を用いて原子励起効率を予測し、励起効率を最適化できるようレーザー装置ならびに原子蒸気発生装置を制御する装置およびその制御装置を組み合わせた同位体分離装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係わる原子励起挙動解析装置では、多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射された原子の励起挙動の解析を行なう原子励起挙動解析装置において、前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求める解析を行なう第１の解析手段と、前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求める第２の解析手段と、前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標を計算する解析モデル選択指標計算手段と、前記指標に基づいて前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を判定し前記解析手段のいずれかを選択する解析モデル選択手段とを備えてなり、前記解析モデル選択手段は前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合およびこのパルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合に前記第１の解析手段を選択し、それ以外の場合に前記第２の解析手段を選択することを特徴とする。
【００２５】
上記構成の原子励起挙動解析装置においては、原子励起挙動の特性に応じて繰り返し計算による統計平均を求める解析する手段と簡略された解析モデルにより解析する手段を適切に選択して原子励起解析を行ない、原子励起解析を行なう時の計算機メモリ並びに計算時間を低減できる。
【００２６】
請求項２の発明に係わる原子励起挙動解析装置は、請求項１に記載の原子励起挙動解析装置において、前記統計平均を求める解析を行なう解析手段は、ブロッホ方程式によって計算することを特徴とする。
【００２８】
上記構成の原子励起挙動解析装置においては、ブロッホ方程式によってパルスレーザー光と原子の相互作用を計算解析するので、通常のブロッホ方程式によって計算解析するを行う場合と比較して原子励起挙動解析を実施するための計算機メモリ並びに計算時間を低減することができる。
【００２９】
請求項３の発明に係わる原子励起挙動解析方法は、多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射された原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標として、前記パルスレーザー光のパルス時間幅と前記パルスレーザー光間のパルス到達時間差、前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差、前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数および前記原子のドップラー分布幅とを計算する第１のステップと、前記パルス時間幅と前記パルス到達時間差とを用いて前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合に前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を有すると判定する第２のステップと、前記第２のステップで相関効果が無いと判定され前記パルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記ラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定する第３のステップと、前記第２のステップでパルスレーザー光間の相関効果があると判定した場合または前記第３のステップで前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第４のステップと、前記第３のステップでパルスレーザー光間の相関効果が緩和しないと判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第５のステップとを有することを特徴とする。
【００３０】
上記構成の原子励起挙動解析方法においては、原子励起挙動の特性に応じて繰り返し計算による統計平均を求める解析する手段と簡略された解析モデルにより解析する手段を適切に選択して原子励起解析を行ない、原子励起解析を行なう時の計算機メモリ並びに計算時間を低減できる。
【００３１】
請求項４の発明に係わる原子励起挙動解析方法は、請求項３に記載の原子励起挙動解析方法において、前記統計平均を求める解析は、ブロッホ方程式によって計算することを特徴とする。
【００３２】
上記構成の原子励起挙動解析方法においては、ブロッホ方程式によってパルスレーザー光と原子の相互作用を計算解析するので、通常のブロッホ方程式によって計算解析するを行う場合と比較して原子励起挙動解析を実施するための計算機メモリ並びに計算時間を低減することができる。
【００３３】
請求項５の発明に係わる原子励起制御装置は、多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射して原子を励起させる装置の制御を行なう原子励起制御装置において、前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求める解析を行なう第１の解析手段と、前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求める第２の解析手段と、前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標を計算する解析モデル選択指標計算手段と、前記指標に基づいて前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を判定し前記解析手段のいずれかを選択する解析モデル選択手段と、前記解析モデル選択手段により選択した第１の解析手段または第２の解析手段を用いて前記原子の励起効率を予測評価する手段と、前記原子の励起効率を予測評価した結果に基づきパルスレーザー光強度または原子蒸気量、あるいはその両方を制御する手段とを備えてなり、前記解析モデル選択手段は前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合およびこのパルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合に前記第１の解析手段を選択し、それ以外の場合に前記第２の解析手段を選択することを特徴とする。
【００３４】
上記構成の原子励起制御装置においては、短時間に原子励起挙動解析を行なうことができるため、原子励起挙動解析を用いて原子の励起効率を予測評価して適した条件で原子励起制御を行なうことができる。
【００３５】
請求項６の発明に係わる原子励起制御方法は、多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射された原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標として、前記パルスレーザー光のパルス時間幅と前記パルスレーザー光間のパルス到達時間差、前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差、前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数および前記原子のドップラー分布幅とを計算する第１のステップと、前記パルス時間幅と前記パルス到達時間差とを用いて前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合に前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を有すると判定する第２のステップと、前記第２のステップで相関効果が無いと判定され前記パルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記ラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定する第３のステップと、前記第２のステップでパルスレーザー光間の相関効果があると判定した場合または前記第３のステップで前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第４のステップと、前記第３のステップでパルスレーザー光間の相関効果が緩和しないと判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第５のステップと、第１のステップないし第５のステップにより前記原子の励起挙動を解析し前記原子の励起効率を予測評価する第６のステップと、前記原子の励起効率を予測評価した結果に基づきパルスレーザー光強度または原子蒸気量、あるいはその両方を制御する第７のステップとを備えたことを特徴とする。
【００３６】
上記構成の原子励起制御方法においては、短時間に原子励起挙動解析を行なうことができるため、原子励起挙動解析を用いて原子の励起効率を予測評価して適した条件で原子励起制御できる。
【００３７】
請求項７の発明に係わる同位体分離装置は、パルスレーザー光を発生するレーザー装置と、パルスレーザー光を多重反射する多重反射ミラーと、多重反射ミラーへ原子蒸気を発生する原子蒸気発生器と、前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求める解析を行なう第１の解析手段と、前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求める第２の解析手段と、前記多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射された原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標を計算する解析モデル選択指標計算手段と、前記指標に基づいて前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を判定し前記解析手段のいずれかを選択する解析モデル選択手段と、前記解析モデル選択手段により選択した第１の解析手段または第２の解析手段を用いて前記原子の励起効率を予測評価する手段と、前記原子の励起効率を予測評価した結果に基づき前記レーザー装置のパルスレーザー光強度または前記原子蒸気発生器の原子蒸気量、あるいはその両方を制御する手段とを備えてなり、前記解析モデル選択手段は前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合およびこのパルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合に前記第１の解析手段を選択し、それ以外の場合に前記第２の解析手段を選択することを特徴とする。
【００３８】
上記構成の同位体分離装置においては、短時間に原子励起挙動解析を行なうことができるため、原子励起挙動解析を用いて原子の励起効率を予測評価して高い同位体分離効率で同位体分離を行なうことができる。
【００３９】
請求項８の発明に係わる記憶媒体は、コンピュータを動作させるためのプログラムを記憶したコンピュータが読取り可能な記憶媒体において、前記プログラムは、多重反射ミラー間に伝播するパルスレーザー光により多重照射された原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果に関する指標として、前記パルスレーザー光のパルス時間幅と前記パルスレーザー光間のパルス到達時間差、前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差、前記パルスレーザー光の電場強度と前記原子のエネルギーレベル間の電気双極子モーメントから求まるラビ周波数および前記原子のドップラー分布幅とを計算する第１のステップと、前記パルス時間幅と前記パルス到達時間差とを用いて前記パルスレーザー光のパルス時間幅よりパルス到達時間差の方が大きい場合に前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果を有すると判定する第２のステップと、前記第２のステップで相関効果が無いと判定され前記パルス到達時間差が前記パルス時間幅以下の場合において前記パルスレーザー光間の瞬間周波数の差が前記ラビ周波数より大きくかつ瞬間周波数の差が前記原子のドップラー分布幅より大きい場合前記原子の励起挙動における前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定する第３のステップと、前記第２のステップでパルスレーザー光間の相関効果があると判定した場合または前記第３のステップで前記パルスレーザー光間の相関効果が緩和すると判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値によって統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第４のステップと、前記第３のステップでパルスレーザー光間の相関効果が緩和しないと判定した場合に前記パルスレーザー光間の位相差を乱数により設定し、前記統計平均を求める解析で得られる解析結果の統計平均が収束するまで解析を繰り返し収束した統計平均を求め前記原子の励起挙動の解析を行なう第５のステップとを有することを特徴とする。
【００４０】
上記構成の記憶媒体においては、計算機に計算機メモリ使用量の少なく計算機時間の速い原子励起挙動解析を行なわせることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る原子励起挙動解析装置およびその解析方法の第１の実施の形態を図１および図２に基づき説明する。図１は本実施の形態に係る原子励起挙動解析装置のブロック構成図である。
【００４２】
互いに反対方向へ伝播する２つのパルスレーザー光により原子を励起する場合の原子励起挙動の解析を行なうにあたって、まず、解析モデル選択指標計算手段１００において原子励起を行なうパルスレーザー光に関する情報および原子励起される原子に関する情報より、解析モデル選択指標となるパルスレーザー光間の相関効果指標を準備する。次に、解析モデル選択指標計算手段１００により準備した指標に基づき適合する解析モデルを解析モデル選択手段２００において選択する。解析モデル選択手段２００により選択した解析モデルに対応する第１の解析手段３１０または第２の解析手段により原子励起解析結果を得る。
【００４３】
次に解析モデル選択指標計算手段１００の構成について図２を用いて説明する。まず、パルスレーザー光時間波形のデータを用いて、パルスレーザー光のパルス時間幅ｔＰを計算する（ステップ１０１）。パルスレーザー光のパルス時間幅ｔｐは、通常パルスレーザー光のパルス幅と呼ばれるものである。次に、原子蒸気の速度分布およびパルスレーザー光の伝播速度からドップラー分布幅Δｄpを計算する（ステップ１０２）。
【００４４】
次に、パルスレーザー光の伝播速度と多重反射ミラー１１間隔より同一のパルスレーザー光が往復伝播することによって生じる２つのパルスレーザー光の到着時間の差であるパルス到達時間差ｔｄを計算する（ステップ１０３）。
【００４５】
さらに、計算されたパルス到達時間差ｔｄとパルスレーザー光情報であるパルスレーザー光の周波数変調（時間を独立変数とする関数としての瞬間周波数）より２つのパルスレーザー光の瞬間周波数の差δνを計算する（ステップ１０４）。パルスレーザー光電場強度および原子の励起レベル間の電気双極子モーメントよりラビ周波数Ωを計算する（ステップ１０５）。なお、ラビ周波数Ωとドップラー分布幅Δｄpは一般の定義と同じものである。
【００４６】
次に、解析モデル選択手段２００、第１の解析手段３１０および第２の解析手段３２０について図１に基づき説明する。まず、パルス時間幅ｔｐとパルス到達時間差ｔｄを比較し、パルス時間幅ｔｐよりパルス到達時間差ｔｄの方が大きい場合には、第１の解析手段３１０を選択する（ステップ２０１）。
【００４７】
また、パルス到達時間差ｔdがパルス時間幅ｔｐ以下の場合には、瞬間周波数の差δνとラビ周波数Ωおよび瞬間周波数の差δνとドップラー分布幅Δｄpを比較し、瞬間周波数の差δνがラビ周波数Ωより大きく、かつ、瞬間周波数の差δνがドップラー分布幅Δｄpより大きい場合には第１の解析手段３１０を選択し、それ以外の場合には第２の解析手段３２０を選択する（ステップ２０２）。
【００４８】
第１の解析手段３１０においては、２つのパルスレーザー光の位相差を予め決められた値または乱数により任意に選られた値とし、ブロッホ方程式を一回解いて解析結果を得る。これに対して、第２の解析手段３２０においては、従来の解析方法と同様に２つのパルスレーザー光の電場の位相差を乱数により設定し、ブロッホ方程式を解いて得られる解析結果の統計平均が収束するまで計算を繰り返す。最終的な解析結果は収束した統計平均である。
【００４９】
このように構成された本実施の形態の作用について説明する。まず、解析モデル選択指標計算手段により、パルスレーザー光および原子に関する情報からパルスレーザー光間の相関効果指標であるパルス時間幅ｔｐ、パルス到達時間差ｔd、パルスレーザー光間瞬間周波数の差δν、ドップラー分布幅Δｄp、ラビ周波数Ωが準備される。次に解析モデル選択手段２００において、パルス時間幅ｔpとパルス到達時間差ｔdが比較される。パルス時間幅ｔpよりパルス到達時間差ｔdの方が大きい場合には第１の解析手段３１０が選択される。これにより、２つのパルスレーザー光の時間的な重なりが無い場合を選び出すことができ、この場合はパルスレーザー光の電場の位相差の統計的なゆらぎを考慮する必要が無い。２つのパルスレーザー光の時間的な重なりが無い場合には、ブロッホ方程式を一回計算すれば解を得ることができる。
【００５０】
次に、パルス到達時間差ｔdがパルス時間幅ｔp以下の場合から、瞬間周波数の差δνがラビ周波数Ωより大きく、かつ、瞬間周波数の差δνがドップラー分布幅Δｄpより大きい場合には、第１の解析手段３１０が選択される。これにより、原子励起挙動におけるパルスレーザー光間の相関効果が緩和される状態を選び出すことができる。
【００５１】
次にこの場合の第１の解析手段３１０におけるブロッホ方程式の計算について説明する。まず、瞬間周波数の差δνが大きい場合について考えるために、パルスレーザー光は周波数掃引されているとし、その周波数が時間の１次関数（at＋b：a，bは定数）で単調に掃引されているとする。この時、簡単のためまずは原子系の共鳴周波数のドップラー広がりについては考えない。伝播方向が逆になる往路と復路の２つのパルスの瞬間周波数が違っているため、原子励起の方程式（１）から（４）において、原子固有関数系の基準周波数を通常行うようなパルスレーザー光の周波数ではなく原子系の共鳴周波数とする。したがって離調項Δは常に０であり、離調に相当する項はラビ周波数Ωに付加される。
【００５２】
そこで、ラビ周波数Ωを式（１３）、（１４）のように電場強度やその初期位相を含む項χと離調に相当する項に分離して示す。こうするとχは、時間的に緩やかに(パルスレーザー光時間波形程度の変化率で)変化する項となる。したがって、式（９）右辺において２つのパルスレーザー光の相関を含む項は、式（１５）のようになる。なお、式（９）右辺には時間積分する項が２項あるが取り扱いは同様なため第１項のみ示す。
【００５３】
【数６】
0003983954.tif 000007
【００５４】
式（１５）最右辺には周波数掃引に起因する指数振動因子 が３つあるが、積分変数ｔ’に関する指数振動因子は第２指数振動因子および第３指数振動因子である。このうち第２指数振動因子は、２つのパルスレーザー光によって生成される電場スペクトルと原子の共鳴ラインとのマッチングに関係するものである。
【００５５】
また、第３指数振動因子は、２つのパルスレーザー光のパルス間瞬間周波数の差δν＝ａｔｄに起因して生成される周波数のうなりを示しており、２つのパルスレーザー光の相関を緩和させる効果あるいは消失させる効果を持つ。すなわち、２つのパルスレーザー光間の瞬間周波数の差δνがラビ周波数Ωより大きい場合には、第３指数振動因子の振動がχや原子系ρ２２の時間変動よりも速いため、式（１５）のｔ’に関する時間積分は２つのパルス間の統計的な位相の変動にかかわらず０になる。したがって、原子の励起挙動は、２つのパルスレーザー光間の電場の位相変動に影響されなくなる。また、解析においても位相変動に係わる統計平均量を含む項が消失するため多数回の繰り返し計算を必要としない。
【００５６】
次に原子系の共鳴周波数のドップラー広がりを考慮する。式（１５）の両辺には原子のドップラーシフトに関する周波数積分が重畳され、式（１６）のようになる。
【００５７】
【数７】
0003983954.tif 000008
【００５８】
式（１６）最右辺の第４複素振動因子はドップラーシフトに起因するものであり、第３複素振動因子と同様、２つのパルスレーザー光の相関を緩和させる効果をもつ。したがって周波数掃引する２つのパルスレーザー光の相関が原子の励起挙動に及ぼす影響は、２つのパルスレーザー光のパルス間瞬間周波数の差δνと原子のドップラーシフトにより急速に消失することが期待できる。
【００５９】
しかしながら原子のドップラーシフトｗａが２つのパルスレーザー光の瞬間周波数の差（δν＝）ａｔｄと式（１７）のような関係にある場合には、式（１８）に示すように式（１６）で示した２つの緩和効果が相殺し、再び２つのパルスレーザー光間の相関が残る。
【００６０】
【数８】
0003983954.tif 000009
【００６１】
つまり、ドップラー分布する原子の一部については２つのパルスレーザー光間の電場の位相の相関に強く影響された励起挙動を示すことになる。このような一部原子の原子系全体における比率が低下あるいは消失するのは、２つのパルスレーザー光間の瞬間周波数の差δνが原子系のドップラー分布幅Δｄpよりも大きい時である。
【００６２】
以上より、パルスレーザー光間の瞬間周波数の差δνがラビ周波数Ωよりも大きく、かつパルスレーザー光間の瞬間周波数の差δνがドップラー分布幅Δｄpより大きい場合には、原子励起挙動におけるパルスレーザー光間の相関効果が緩和されるあるいは消失する。したがって、パルスレーザー光間の相関効果が無い場合と同様に、ブロッホ方程式を１回計算すれば解を得ることができる。
【００６３】
次に、本実施の形態の解析モデル選択手段２００によりパルスレーザー光間の相関効果があり、パルスレーザー光間の相関効果が緩和または消失するため、第１の解析手段３１０が選択される条件について、第１の解析手段３１０によって得られる解が妥当であることを検証する。原子は基底レベルと励起電離レベルの２レベル系で、初期は基底レベルにあるものし、パルスレーザー光は原子の共鳴周波数の前後で直線的に周波数掃引している場合である、その他の条件は以下の通りである。
【００６４】
ｔｐ＝３[nsec]、ｔｄ＝３[nsec]、ａ＝１[GHz/nsec]、δν＝３[GHz]
Ω＝０．２５[GHz]、Ｒ＝０．１[GHz]、Δｄp＝０[GHz]
ｔｐ：パルスレーザー光のパルス時間幅（ガウス型時間波形半値全幅）
ｔｄ：２つのパルスレーザー光のパルス到達時間差
ａ：パルスレーザー光周波数掃引速度
δν：２つのパルスレーザー光の瞬間周波数の差（＝ａ ｔd）
Ω：パルスレーザー光により誘起されるピークラビ周波数
Ｒ：原子の励起レベルからのイオン化速度
Δｄp：原子系のドップラー分布幅
【００６５】
図３に、第１の解析手段３１０によって得られた原子の励起挙動のうち生成イオン量の経時変化を示している。また、図３には比較のため、従来の詳細で厳密な解析方法で第２の解析手段３２０による解析結果も示している。両者はよく一致している。
【００６６】
次に、本実施の形態の解析モデル選択手段２００によって第２の解析手段３２０が選択されるような場合においても第１の解析手段３１０を適用した場合について検証する。条件は以下の通とする。
ｔｐ＝３[nsec]、ｔｄ＝３[nsec]、ａ＝１[GHz/nsec]、δν＝３[GHz]  Ω＝０．２５[GHz]、Ｒ＝０．１[GHz]、Δｄp＝１．５[GHz]
【００６７】
図４に、図３と同様に原子の励起挙動のうち生成イオン量の経時変化について、第１の解析手段３１０および第２の解析手段３２０による解析結果を比較して示す。両者は一致していない。
【００６８】
このように、本実施の形態の解析モデル選択手段２００による解析モデルの選択および解析方法が妥当であることが示された。計算機メモリおよび計算機時間を削減できる計算条件を正しく選び出して計算が行なえるため、原子励起挙動解析全体で考えた時に計算機資源が節約できる。
【００６９】
次に本発明の第２の実施の形態の原子励起制御装置および同位体分離装置について、図５を参照して説明する。同位体分離装置１０内には原子蒸気を発生するための原子蒸気発生装置１２、および、発生した蒸気にパルスレーザー光を照射するための多重反射ミラー１１が組み込まれている。原子蒸気発生器１２からの原子蒸気発生量は、蒸気発生器運転装置２２により制御されている。また、多重反射ミラー１１により照射されるパルスレーザー光はレーザー運転装置２１により制御されて発光されている。蒸気発生器運転装置２２およびレーザー運転装置２１は原子励起制御装置３０により制御されている。原子励起制御装置３０には本発明の第１の実施の形態に記載した原子励起挙動解析装置とこの原子励起挙動解析装置を用いて同位体分離効率を予測評価する予測評価手段が組み込まれている。
【００７０】
このように構成された本実施の形態において、原子励起制御装置３０内部の予測評価手段は、原子蒸気発生量およびパルスレーザー光強度を離散的に変えて、原子励起挙動解析装置を用いて原子励起挙動解析を行ない原子励起効率を求めて、得られた原子励起効率から同位体分離効率を計算する。原子励起制御装置３０は、内部の予測評価手段により求められた原子蒸気発生量およびパルスレーザー光強度を変数とした同位体分離効率を表示するとともに、蒸気発生器運転装置２２とレーザー運転装置２１に、最も同位体分離効率が高くなる原子蒸気発生量とパルスレーザー光強度の条件のそれぞれに対応する値を連絡する。ここのため、同位体分離装置は、最も同位体分離効率が高くなる原子蒸気発生量とパルスレーザー光強度で同位体分離が行なわれる。この時、本発明の第１の実施の形態に記載した原子励起挙動解析装置を用いているため、原子蒸気発生量およびパルスレーザー光強度を変えたときの同位体分離効率が短時間で得られ、同位体分離装置において原子蒸気発生量およびパルスレーザー光強度を変えて実際に得られる同位体分離効率を見ながら適切な原子蒸気発生量およびパルスレーザー光強度に調整するよりもはるかに速く調整される。
【００７１】
また、予測評価手段の計算の原子蒸気量とパルスレーザー光強度それぞれの計算範囲と数値間隔は原子励起制御装置３０で設定することができ、原子励起制御装置３０に表示された同位体分離効率が最も高くなる原子蒸気発生量とパルスレーザー光強度の近傍の範囲をそれぞれの数値間隔を狭く計算させるように設定することで、さらに適した条件に制御させることができる。
【００７２】
本実施の形態によれば、同位体分離装置１０におけるレーザー光情報および原子蒸気情報から原子励起挙動を短時間に解析し、原子励起効率さらに同位体分離効率を予測することができるため、同位体分離効率を高めるようにパルスレーザー光強度および原子蒸気発生量などを調整して原子励起状態を制御することが可能となる。
【００７３】
なお、上述した第１の実施の形態の原子励起挙動解析方法または第２の実施の形態の原子励起制御方法は、コンピュータに実行させることのできるプログラムとして記憶媒体に記憶し、解析や装置の制御に応用したり、通信媒体により伝送して解析や装置の制御に適用することも可能である。
【００７４】
本発明における記憶媒体としては、磁気ディスク、フロッピーディスク、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤなど）、光磁気ディスク（ＭＯなど）、半導体メモリなど、プログラムを記憶でき、かつコンピュータが読み取り可能な記憶媒体であれば、その記憶形式はいずれの形態であっても良い。また、ここで記憶媒体とは、コンピュータと独立した媒体に限らず、ＬＡＮやインターネットなどにより伝送されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記憶した記憶媒体も含まれる。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、原子励起挙動の解析において、原子励起挙動の特性に応じて繰り返し計算による統計平均を求める解析する手段と繰り返し計算を行なわずに解析する手段を適切に選択して解析することができるため、解析を実施するための計算機メモリ並びに計算時間を低減することができる。このため、同位体分離を最適化した原子励起制御用に原子励起効率などを高速に予測評価することなどにも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる原子励起挙動解析装置のブロック構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係わる原子励起挙動解析方法選択指標計算手段のブロック構成図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係わる原子励起挙動解析装置で適正な解析手段を選択して原子励起挙動を解析した場合を示す特性図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の第１の解析手段を適用できない場合に用いて原子励起挙動を解析した場合を示す特性図である。
【図５】本発明の原子励起挙動解析方法により原子励起効率を評価しかつ最適化するために、レーザー装置ならびに蒸気発生装置を制御する原子励起制御装置を組み合わせた同位体分離装置の構成を示す図である。
【図６】多重反射ミラー並びにレーザー光路の構成をしめす図である。
【図７】従来の原子励起挙動解析においてブロッホ方程式を繰り返し計算する必要を示すための特性図である。
【符号の説明】
１０…同位体分離装置  １１…多重反射ミラー
１２…蒸気発生器  ２１…レーザー運転装置
２２…蒸気発生器運転装置  ３０…原子励起制御装置
１００…解析モデル選択指標準備手段  ２００…解析モデル選択手段
３１０…第１の解析手段  ３１０…第２の解析手段
【図１】
0003983954.tif 000010
【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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