(57)【要約】【課題】試料ガスが凹面ミラーの反射面に接触するのを防いで試料ガスを光反応させる多重反射セルを提供する。【解決手段】本発明に係る多重反射セル１は、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器３と、容器３の内部に収容されて対向して配設した凹面ミラー５及び７を有してなり、容器３内にレーザー光を入射し、該入射したレーザー光を凹面ミラー５及び７の間で複数回反射させて光反応を行うものであって、凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａに前記試料ガスが接触することを防止するシールドガスを噴出するシールドガス噴出ノズル９と、シールドガス噴出ノズル９に前記シールドガスを供給するシールドガス供給配管１１とを備えたことを特徴とするものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有し、前記容器内にレーザー光を入射し、該入射したレーザー光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行う多重反射セルであって、
前記凹面ミラーの反射面に前記試料ガスが接触することを防止するシールドガスを噴出するシールドガス噴出ノズルと、
該シールドガス噴出ノズルに前記シールドガスを供給するシールドガス供給配管と、を備えたことを特徴とする多重反射セル。
【請求項２】
前記シールドガス噴出ノズルは、前記シールドガスを噴出する向きを変更可能に設置されていることを特徴とする請求項１記載の多重反射セル。
【請求項３】
前記シールドガスは、前記試料ガスに対して不活性なものであることを特徴とする請求項１又は２記載の多重反射セル。
【請求項４】
前記試料ガスは、オゾンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多重反射セル。
【請求項５】
前記シールドガスは、希ガス、フロンガス、又は、希ガスとフロンガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１乃至のいずれか一項に記載の多重反射セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、向かい合わせに配置された複数の凹面ミラーの間でレーザー光を複数回反射させる多重反射セルに関し、特に、光反応に用いる多重反射セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、容器内のガスに特定の波長のレーザー光を照射し、特定のエネルギー準位間の光学遷移を誘起することで光反応を引き起こす技術が広く用いられている。例えば、特許文献１には、酸素原子の安定同位体である18Oを含むオゾン分子（16O16O18O）に特定の周波数（波長）のレーザー光を照射し、18Oを濃縮する技術が開示されている。
【０００３】
このような光反応を引き起こす技術においては、レーザー光が光反応にどれだけ用いられたかを示す「光利用率」を高めることにより、投入エネルギーに対する成果を示す「エネルギー収率」が向上する。
「光利用率」を高める代表的な方法として、レーザー光と反応対象ガスが接する経路の長光路化が挙げられる。
そして、長光路化の方法としては、単純に反応が行われる容器の長さをレーザー光の照射方向に沿って直線上に延長することが挙げられるが、この場合、容器の大きさや、設置スペース等の観点から限度がある。
そのため、複数枚の凹面ミラーを向い合せに設置し、当該凹面ミラー間にレーザー光を複数回反射させて長光路化を達成する方法が一般的に用いられている。そして、凹面ミラー間を所定回数反射したレーザー光は、レーザー透過窓を通して容器の外に導かれ、検出器で検出される。
【０００４】
このように凹面ミラーを配置してレーザー光を複数回反射させる構造は、一般に、多重反射セルと呼ばれる。
特許文献２には、筐体に複数の凹面ミラーが配置され、該凹面ミラーの間で光ビームを多重反射させる試料セルが開示されている。
【０００５】
通常、凹面ミラー表面（反射面）においては入射したレーザー光の一部が拡散するため、凹面ミラーの反射面におけるレーザー光の反射点が光点となってカメラ等で観察することができる。そのため、多重反射セルにおいては、図５に示すように凹面ミラーの反射面に複数の光点が観察され、これらの光点群をスポットパターンと呼ぶ。
【０００６】
そして、このようなスポットパターンを確認することによって、凹面ミラー間においてレーザー光が所定の回数反射するように、凹面ミラーの位置及び向きの調整を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４３６４５２９号公報
【特許文献２】特開平８−３５９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般的に、凹面ミラーによりレーザー光を反射させる場合、凹面ミラーの反射面に入射したレーザー光の一部のエネルギーはロスとなって反射されないことが知られている。このエネルギーロスのうち約25%は、凹面ミラーの反射面において熱に変換される。
【０００９】
そして、例えば多重反射セルに試料ガスとしてオゾンを供給し、凹面ミラー間で多重反射したレーザー光を用いてオゾン分子(例えば16O16O18O)を光反応により分解して酸素同位体18Oの濃縮を行う場合、凹面ミラーの反射面に入射したレーザー光が熱に変換されると、この熱により凹面ミラーの反射面に接触したオゾン分子が分解されてしまう。
【００１０】
この熱によるオゾン分子の分解量は、多重反射セル中におけるオゾン分子の成分割合に従うため、成分の約99.8%を占める16O16O16Oが分解して16O16Oが大量に生成してしまい、光反応による18Oの濃縮を妨げる大きな原因となっていた。
【００１１】
このような問題に対しては、凹面ミラーの反射面に試料ガスが接触することを防ぐことが効果的であると考えられる。
【００１２】
例えば特許文献２には、光反応によりオゾンの分解を行うものではないが、腐食性の高い試料ガスによる凹面ミラーの腐食を防ぐため、凹面ミラーを収容した筐体内に反射を抑えた光の入出部を持つガス容器を備え、当該ガス容器に試料ガスを供給することによって試料ガスと凹面ミラーとを隔離する構造とした試料セルが開示されている。しかしながら、特許文献２に開示されている試料セルは、試料ガスが供給されるガス容器を筐体内に設置するものであるため、構造が複雑になるといった問題があった。
【００１３】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、試料ガスが凹面ミラーの反射面に接触するのを防ぐことにより、凹面ミラーの反射面における試料ガスの反応を抑制して試料ガスの光反応を行う多重反射セル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】
【００１４】
（１）本発明に係る多重反射セルは、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有し、前記容器内にレーザー光を入射し、該入射したレーザー光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行うものであって、前記凹面ミラーの反射面に前記試料ガスが接触することを防止するシールドガスを噴出するシールドガス噴出ノズルと、該シールドガス噴出ノズルに前記シールドガスを供給するシールドガス供給配管と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記シールドガス噴出ノズルは、前記シールドガスを噴出する向きを変更可能に設置されていることを特徴とするものである。
【００１６】
（３）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記シールドガスは、前記試料ガスに対して不活性なものであることを特徴とするものである。
【００１７】
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記試料ガスは、オゾンであることを特徴とするものである。
【００１８】
（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記シールドガスは、希ガス、フロンガス、又は、希ガスとフロンガスの混合ガスであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明においては、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有してなり、前記容器にレーザー光を入射し、該入射したレーザー光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行うものであって、前記凹面ミラーの反射面に前記試料ガスが接触することを防止するシールドガスを噴出するシールドガス噴出ノズルと、該シールドガス噴出ノズルに前記シールドガスを供給するシールドガス供給配管と、を備えたことにより、シールドガスが凹面ミラー表面に試料ガスが接触するのを防止することができ、凹面ミラーの反射面における試料ガスの反応、特に熱分解反応を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施の形態に係る多重反射セルの概要を説明する説明図である。
【図２】本実施の形態に係る多重反射セルに用いられるシールドガス噴出ノズルの形状及び個数を説明する説明図である（その１）。
【図３】本実施の形態に係る多重反射セルに用いられるシールドガス噴出ノズルの形状及び個数を説明する説明図である（その２）。
【図４】本実施の形態に係る多重反射セルに用いられるシールドガス噴出ノズルの形状及び個数を説明する説明図である（その３）。
【図５】多重反射セルの凹面ミラーに照射されたレーザー光のスポットパターンの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施の形態に係る多重反射セル１は、図１に示すように、光反応の対象とする試料ガスの供給を受ける容器３と、容器３の内部に収容されて配設した２枚の凹面ミラー５及び７と、凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａに前記試料ガスが接触することを防止するためのシールドガスを噴出するシールドガス噴出ノズル９と、シールドガス噴出ノズル９に前記シールドガスを供給するシールドガス供給配管１１とを備えたものである。
【００２２】
以下、多重反射セル１の各構成を詳細に説明する。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されている場合があるが、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。
【００２３】
＜凹面ミラー＞
凹面ミラー５及び７は、凹形状の反射面５ａ及び７ａを有し、入射したレーザー光を反射面５ａ及び５ａにおいて複数回反射させるため、凹面ミラー５と凹面ミラー７が向かい合わせに対向して設けられている。
【００２４】
本実施の形態において、凹面ミラー５及び７は、直径200mm、厚さ23mmの合成石英製のものを用い、凹面ミラー間距離は760mmとした。また、凹面ミラー５及び７の反射率は99%である。しかしながら、これに限定されるものではなく、任意の形状（直径、厚さ等）と距離を選択することができる。
また、凹面ミラー５及び７を設置する枚数には限定はなく、レーザー光を所定の回数、反射することができるものであれば良い。
【００２５】
＜容器＞
容器３は、筒状のものであり、内部に凹面ミラー５及び７を収容する。
容器３には、レーザー光源１３から出射したレーザー光が透過するレーザー透過窓１５と、レーザー透過窓１５を通して照射されたレーザー光を凹面ミラー７に向かって反射させるガイドミラー１７が設けられている。
【００２６】
容器３には、観察窓１９が設置され、凹面ミラー７の反射面７ａにおけるレーザー光のスポットパターンを観察するとともに、該スポットパターンをカメラ２１により撮影することができる。
【００２７】
容器３内において所定の回数反射したレーザー光は、ガイドミラー１７に再び入射して反射した後、レーザー透過窓１５を通して容器３外へと出射する。図１に示す多重反射セル１においては、容器３から出射したレーザー光を検出する検出器２３が設置されている。
【００２８】
さらに、容器３には、ガス導入管２５及びガス導出管２７がそれぞれ接続し、光反応に供される試料ガスはガス導入管２５を経て容器３内に導入され、光反応した後の試料ガスはガス導出管２７を経て導出される。
【００２９】
本実施の形態において、容器３には、外径300mm、厚さ4mm、長さ1000mmのSUS304製の鋼管を用いているが、容器３のサイズ及び材質はこれに限定されることではなく、任意に選択することができる。
【００３０】
また、レーザー透過窓１５には直径34mm、厚さ2mmのコバール製を、ガイドミラー１７には直径5mm、反射角度45度の合成石英製を、観察窓１９には直径137mm、厚さ8mmのコバール製のものをそれぞれ用いているが、サイズ及び材質はこれらに限定されるものではなく、任意に選択することができる。
【００３１】
＜ミラー固定部材＞
ミラー固定部材２９及び３１は、凹面ミラー５及び７の背面側を保持し、容器３に固定するものである。
【００３２】
凹面ミラー５及び７は、ミラー固定部材２９及び３１により位置（ミラー間距離）及び向き（あおり方向、首振り方向）が固定された状態で容器３の内部に設置される。
【００３３】
ミラー固定部材２９及び３１は、凹面ミラー５及び７の位置及び向きを厳密に調整するミラー調整機構を有するものであることがより好ましい。
この場合、凹面ミラー５及び７の位置及び向きの調整は、常温常圧時に、凹面ミラー５及び７の位置（ミラー間方向、鉛直方向）及び向き（あおり方向及び首振り方向）がミラー調節機構により調整される。
【００３４】
＜シールドガス噴出ノズル＞
シールドガス噴出ノズル９は、試料ガスと反応しない（不活性な）シールドガスを凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａ側にそれぞれ噴出するものである。
【００３５】
ここで、シールドガス噴出ノズル９から噴出されるシールドガスによって試料ガスが反射面５ａ及び７ａに接触することを効果的に防止するべく、シールドガス噴出ノズル９をシールドガス供給配管１１の先端に設置する際には、シールドガスを噴出する向きを適宜調整して変更可能に設置できることが望ましい。
【００３６】
さらに、シールドガス噴出ノズル９の形状及び個数は、例えば図２〜図４に示すように、任意に決めることができる。
【００３７】
図２は、図１と同様に、シールドガス噴出ノズル９が反射面５ａの上方と下方に配置されたものである。
図３は、シールドガス噴出ノズル９が反射面５ａの上下左右の４方向に配置されたものである。
図４は、円環状のシールドガス噴出ノズル１０が、反射面５ａの外周縁形状に合わせて上方と下方に配置されたものであり、シールドガス噴出ノズル１０の内周面から反射面５ａ側に向かってシールドガスが噴出される。
いずれも、シールドガスが凹面ミラー５の表面に対してほぼ平行に噴出されることが望ましい。
【００３８】
さらに、本実施の形態において、シールドガス噴出ノズル９の材質にはSUS304製のステンレスを用いたが、シールドガス噴出ノズル９の材質はこれに限定されるものではなく、試料ガスやシールドガスに反応しない材質であれば、任意の材質を選択することができる。
【００３９】
＜供給配管＞
シールドガス供給配管１１は、シールドガス噴出ノズル９にシールドガスを供給するための配管である。
【００４０】
本実施の形態において、シールドガス供給配管１１にはSUS304製のステンレス配管を用いたが、シールドガス供給配管１１の材質はこれに限定されるものではなく、試料ガスやシールドガスに反応しない材質であれば、任意の材質を選択することができる。
また、シールドガス供給配管１１の途中にシールドガスの流量を制御するための調節弁が設けられていてもよい。
【００４１】
次に、本実施の形態に係る多重反射セル１を用いたレーザー光反応方法について、オゾンガス中の酸素同位体18Oを光反応により濃縮する場合を例として、図１に基づいて以下に説明する。
【００４２】
まず容器３の外部に、レーザー光源１３とカメラ２１を設置する。本実施の形態では、レーザー光源１３には半導体レーザーを用いた。ここで、レーザー光の強度は0.3Wとし、レーザー光の波長はオゾン中の同位体成分である16O16O18Oのみを分解する988nmとした。
【００４３】
次に、ミラー調節機構を有するミラー固定部材２９及び３１により、凹面ミラー５の反射面５ａと凹面ミラー７の反射面７ａとが対向するように容器３内に固定する。
【００４４】
そして、凹面ミラー５及び７の位置及び向きをミラー固定部材２９及び３１のミラー調節機構により厳密に調節する。ここでは、凹面ミラー間距離を760mmに設定し、この時の凹面ミラー５及び７間におけるレーザー光の反射回数は約160回である。
【００４５】
そして、レーザー光源１３からレーザー光を出射し、レーザー透過窓１５を通して容器３の内部に導入する。
【００４６】
容器３内に導入されたレーザー光は、ガイドミラー１７により凹面ミラー７側に反射される。そして、凹面ミラー５及び７の間を所定回数（＝約160回）反射したレーザー光は、再びガイドミラー１７に入射してレーザー透過窓１５に向かって反射し、レーザー透過窓１５を通して容器３外へと出射する。
【００４７】
凹面ミラー５及び７の間におけるレーザー光の反射回数は、凹面ミラー７の反射面７ａに照射されたレーザー光のスポットパターンをカメラ２１で撮影することにより計測することができる。
【００４８】
撮影したスポットパターンにより凹面ミラー５及び７の位置及び向きが調整されていることを確認した後、レーザー光源１３からのレーザー光の出射を停止する。そして、図示しない真空ポンプにより、ガス導出管２７を経て容器３内を真空引きした後、光反応の試料ガスであるオゾンをガス導入管２５から容器３内に供給する。
【００４９】
同時に、シールドガス供給配管１１からシールドガスの供給を受けて、シールドガス噴出ノズル９から反射面５ａ及び７ａ側にシールドガスとしてアルゴンガスを噴出する。
【００５０】
最後に、レーザー光源１３からレーザー光を出射し、レーザー透過窓１５を通してレーザー光を容器３に導入することで、オゾンの光反応を行うことができる。
【００５１】
以上より、本発明に係る多重反射セル１は、凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａ付近において噴出されたアルゴンガスにより、凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａにオゾン分子が接触することを防ぐことができ、凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａでのオゾン分子の熱分解が抑制されるため、安定同位体18Oの濃縮効率を大幅に上げることができる。
【００５２】
なお、上記の説明では、シールドガスには試料ガスであるオゾンと反応しない希ガスの一つであるアルゴンガスを用いたが、本発明に係るシールドガスはこれに限定されるものではなく、他の希ガスであっても良く、フロンガス、若しくは、希ガスとフロンガスの混合ガスであっても良い。
【００５３】
[多重反射セルにおける酸素安定同位体の濃縮効果]
本実施の形態に係る多重反射セル１によりオゾンガス中の酸素同位体18Oを濃縮すに際して、凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａ側にシールドガスが噴出されることによって、反射面５ａ及び７ａにおけるオゾン分子の熱分解による酸素分子の生成が防止された場合における18Oの濃縮効果を試算する。
【００５４】
酸素原子の安定同位体である18Oを含むオゾン分子（16O16O18O）に特定の周波数のレーザー光を照射したときの18Oの濃縮は、以下の反応機構に従うことが知られている（特許文献２参照）。
【００５５】
まず、オゾン分子O3（例えば16O16O18O）にレーザー光が照射されると、式（１）のように、１個の酸素分子と１個の酸素原子に分離する。
O3＋  「レーザー光照射」  →  O2  ＋  O  ・・・・・（１）
【００５６】
式（１）の反応で生成された酸素原子Oはエネルギーを得ているため、式（２）のように、周りに存在するオゾン分子O3をいくつか分解する。
O  ＋  nO3  →  0.5（1＋3n）O2  ・・・・・（２）
【００５７】
式（２）において、nは巻き込み係数と呼ばれる。仮にn＝5であった場合、レーザー光照射により1個のオゾン分子が分解されると、式（２）により5個のオゾン分子が分解されるため、式（１）と式（２）の反応により計6個のオゾン分子（18Oの自然存在割合は約0.2%であることから、ほぼすべてが16O16O16O）が分解されて9個の酸素分子O2が生成する。
【００５８】
このとき、生成した9個の酸素分子に含まれる18O濃度は、約5.6%となり、18Oの自然存在割合（＝約0.2%）との比較より、約28倍の濃縮効果に相当する。
【００５９】
次に、レーザー光によるオゾン分子の分解量を試算する。
本発明の実施の形態に係る多重反射セル１を用いた18Oの濃縮において、容器３内のオゾンの圧力を-60kPaG、温度を-60℃、レーザー光のエネルギーを0.3W、波長を992nm、18Oの自然存在割合0.2%とし、これらの条件からレーザー光によるオゾン分子の分解量を試算すると、8.48×10-9  [mol/sec]となる。
【００６０】
ここで、式（２）における巻き込み係数がn＝5であった場合、酸素分子の製造量は、
8.48×10-9×9＝7.63×10-8  [mol/sec]  ・・・・・（３）
となる。
【００６１】
一方、比較対象として、凹面ミラーの反射面にシールドガスが噴出されない従来の多重反射セルによる18Oの濃縮効果を算出した。
【００６２】
凹面ミラーの反射率が99%である場合、１回目の反射で0.3Wのレーザー光のうち、
0.3×0.99＝0.297  [W]  ・・・・・（４）
が反射され、
0.3−0.297＝0.003  [Ｗ]  ・・・・・（５）
が、凹面ミラーでのロスとなる。
【００６３】
よって、凹面ミラー間で160回の反射が生じた場合におけるロスの総和は、
0.3×（１−0.99160）＝0.24  [W]  ・・・・・（６）
となる。このロスの総和のうち、約25％が凹面ミラーの反射面において熱に変換される。
【００６４】
熱によりオゾン分子を分解するのに必要なエネルギーは101kJ/molであることから、凹面ミラーの反射面において熱分解するオゾンの量は、
0.24×0.25／（101×103）＝5.94×10-7  [mol/sec]  ・・・・・（７）
となる。
【００６５】
さらに、オゾンの熱分解により製造される酸素分子の製造量を求めると、熱分解反応においてはオゾン分子１個から酸素分子は1.5個製造されることから、
5.97×10-7×1.5＝8.96×10-7  [mol/sec]  ・・・・・（８）
となる。
【００６６】
よって、従来の多重反射セルを用いた場合における18O濃度は、
（0.002×8.96×10-7＋0.056×7.63×10-8）／（8.96×10-7＋7.63×10-8）＝0.0062＝0.62%  ・・・・・（９）
となる。
【００６７】
これは、18Oの自然存在割合である約0.2％と比較すると、約3倍の濃縮効果となる。
つまり、本実施の形態に係る多重反射セル１を用いてオゾンを光反応させて酸素同位体18Oを濃縮する場合、凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａにシールドガスを噴出してオゾンの熱分解を防ぐことによって、従来の多重反射セルを用いた場合と比較すると、5.6%/0.62%＝約9倍の安定同位体18Oの濃縮効果が得られることが示唆された。
【００６８】
以上より、本発明に係る多重反射セルによれば、試料ガスを光反応する場合においては、シールドガスを凹面ミラーの反射面側に噴出して凹面ミラーの反射面に試料ガスが接触するのを防止することにより、凹面ミラーの反射面における試料ガスの反応、特に熱分解反応を抑制して、試料ガスを効果的に光反応させることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１  多重反射セル
３  容器
５  凹面ミラー
５ａ  反射面
７  凹面ミラー
７ａ  反射面
９  シールドガス噴出ノズル
１０  シールドガス噴出ノズル
１１  シールドガス供給配管
１３  レーザー光源
１５  レーザー透過窓
１７  ガイドミラー
１９  観察窓
２１  カメラ
２３  検出器
２５  ガス導入管
２７  ガス導出管
２９  ミラー固定部材
３１  ミラー固定部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
2017223547.tif 000005
【図４】
2017223547.tif 000006
【図５】
2017223547.tif 000007