レーザー同位体分離の研究 ―Ca-48 の濃縮を目指して― 仁木秀明、寺西叶、江崎雄太、小川泉、玉川洋一 福井大学大学院工学研究科 はじめに ニュートリノのマヨラナ粒子性を検証するため に、ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊の観 測実験が世界各国で進められている。この観測実験 に用いる二重ベータ崩壊核（Ca-48､Ge-76､Mo-100､ Cd-116､Te-130､Xe-136､Nd-150 など）の内、Ca-48 の二重ベータ崩壊の Q 値は 4.28MeV と、他の原子 核に比べて突出して大きく､自然放射性のガンマ線 やベータ線などのバックグラウンドノイズから極め て良好に分離して検出されることが期待できる。カ ルシウム化合物には常温でガス状態のものがないた め､現在ウラン濃縮に用いられているガス遠心分離 法やガス拡散法は適用できない。我々は、レーザー による Ca の同位体分離に着目し、選択的原子ビー ム偏向法と選択的レーザーイオン化法の２つの手法 について研究を進めている。 用レーザーとして Q スイッチ Nd:YAG レーザーの 第 2 高調波を用い、コリメータの上方 35.7cm レン 272.2 ［nm］ 2.7×105 ［s-1］ 422.7［nm］ 2.2×108［s-1］ 671.7 ［nm］ 1.2×107 ［s-1］ 2180 ［s-1］ 1P 1 3P 0,1,2 457.0 ［nm］ 40 ［s-1］ 1S 0 図 1 Ca 原子のエネルギー模式図 選択的原子ビーム偏向法 Ca 原子は、図 1 のように、波長 423nm の光に 対して極めて強い吸収特性があり、比較的弱い強度 の光であっても、連続的に照射し続けることにより、 Ca 原子は基底準位（1S0)と励起準位(1P1)の間を往復 しつつ極めて多数回、光子の吸収、放出を繰り返す ことができる。この際、Ca 原子から放出される光子 の方向はランダムなので、Ca 原子は平均的に光の照 射方向に運動量を得る。このことは、原子のレーザ ー冷却に応用されているが、これは Ca の同位体分 離に応用することができる。 このことを調べるために、図 2 および図 3 のよ うな実験配置で、レーザによる Ca 原子ビームの偏 向実験を試みた。原子ビームの偏向用レーザーは、 単一縦モード発振 CW 半導体レーザー（TOPTICA 社製）で波長 423nm 近傍で波長可変であり、出力 は最大約 70mW である。出力光は Ca 原子ビーム発 生用の真空容器に導かれた。Ca 原子ビームを生成す るために Ca をヒータ加熱することにより蒸発させ、 直径 1.5mm のアパーチャー2 枚によりコリメート した。偏向用レーザー光ビームは Ca 原子ビームと 直角に 2 回交差させた。特定の同位体への波長の同 調は、原子ビームからのレーザー誘起蛍光をモニタ ーすることにより行った。Ca 同位体の質量スペクト ルを測定するために飛行時間法を用いた。イオン化 1P 1 ズで集光して原子ビームに照射して非共鳴的に局所 的にイオン化した。また、原子ビームの水平方向の 分布が観測できるよう、１枚の反射ミラーと集光用 レンズを移動ステージの上に設置し、集光位置をを 微細にかえられるようにした。生成されたイオンは 電界により右方に引き出され、無電界の自由飛行領 域を経て MCP で観測した。 半導体レーザー Nd:YAG レーザー （第二高調波） 可動域 15mm トリガ信号 ビームスプリッター R = 4％ ミラー 波長計 移動ステージ 集光レンズ f = 400mm オシロスコープ MCP 質量スペクトル 図 2 実験配置全体図 偏向レーザーあり Ca-40イオン信号強度 4 偏向レーザーなし 3 2 1 0 -4 図 3 レーザー照射領域配置図 偏向用レーザー波長を Ca-40 に同調した時に得 られた原子ビーム中心での質量スペクトルの例を図 4 に示す。図では天然存在比の最も大きい Ca-40 の 信号のみが顕著に観測されているが、その他の同位 体（Ca-42、Ca-44、Ca-48）も本装置で観測されて いる。図のように偏向用レーザーを照射した場合に Ca-40 のピークが明らかに減衰する様子が観測され た。また、この場合、Ca-44 の減衰は全く見られな かった。このことは、偏向用レーザーの照射によっ て、Ca-40 が右方に偏向され、元の原子ビーム中心 付近での Ca-40 の同位体の個数密度が減少したこと を示唆している。またこの現象は同位体的に選択的 である。 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 イオン化位置[mm] 図 5 偏向用レーザー照射時における Ca-40 同位体の空間分布の変位 明らかに偏向用レーザーの照射によって Ca-40 の分 布がシフトしている。ピーク位置のずれは 1.0mm 程度である。分布の幅はレーザー照射時に若干広が っている。これは熱速度分布による各原子の速度に 分布があるため、レーザー照射領域における光吸 収・放出のサイクル数に幅ができ、変位にも幅が生 ずることが１つの要因であると考えている。1.0mm 程度のピーク位置シフト量からは１個の Ca-40 あた りおよそ百数十回の光吸収・放出が繰り返されたも のと考えられる。レーザー照射配位を改善すること によりこのサイクル数を増加させることは可能であ り、より大きな偏向が可能であると考えられる。 Ca-44 については偏向用レーザー照射の有無に対し てイオン信号強度の変化は全く観測されなかった。 これより、偏向は同位体選択的で、適当な位置で原 子ビームを回収することにより、濃縮同位体が回収 可能となることが示された。 選択的レーザーイオン化法 この手法は図 6 のように、様々なイオン化経路 が考えられる。予備的な実験として、半導体レーザ ーによる選択励起と YAG レーザーによるイオン化 の組み合わせで、選択的イオン化に成功している。 図 4 偏向用レーザー照射時における原 子ビーム中心での Ca-40 同位体の個数密 度の減衰 偏向用レーザー照射による原子ビームの偏向の様子 を調べるために、イオン化用レーザーの照射位置を 偏向用レーザーの伝搬方向に沿って変えてイオン信 号を観測することにより、Ca-40 の分布を測定した。 測定は、あるイオン化位置において偏向用レーザー 照射時、非照射時の質量スペクトルを取得し、イオ ン化位置を変えて同様の測定を繰り返した。図 5 に 測定結果を示す。イオン化位置は元の原子ビームの 中心位置を 0 としており、偏向用レーザーの伝搬の 向きに沿ってイオン化位置が大きくなっている。 図 6 選択的レーザーイオン化
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