JP2000088809A

JP2000088809A - 固体中の特定原子の検出方法及び検出装置

Info

Publication number: JP2000088809A
Application number: JP10258484A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Okada; 康弘岡田; Masafumi Yorozu; 雅史萬; Nobuhisa Yokogawa; 伸久横川; Toshihiko Yamanishi; 敏彦山西; Masataka Nishi; 正孝西
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】微量の特定原子を、感度よく検出することが
可能な固体中の特定原子の検出方法を提供する。【解決手段】検出対象原子を含む測定対象物に、該検
出対象原子の吸収波長のレーザを照射し、アブレーショ
ンを起こさせる。アブレーションを起こさせる工程で測
定対象物から飛散した飛散物質中の検出対象原子のイオ
ンを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体中の特定原子
の検出方法及び検出装置に関し、特にレーザを用いてア
ブレーションを起こさせ、飛散した物質中の特定原子を
検出する方法及び検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平１０−４８３７０号公報に、トリ
チウムを含む材料の表面に紫外レーザを照射してアブレ
ーションを生じさせ、飛散したトリチウムの量を測定す
る方法が開示されている。飛散したトリチウムの量を測
定する方法として、四重極質量分析、電離箱等による方
法が例示されている。

【０００３】核融合炉は、水素同位体であるデューテリ
ウム（Ｄ）とトリチウム（Ｔ）を燃料としており、これ
らの元素の核融合反応を生じさせるためには、約１億度
以上のプラズマ状態を保持する必要がある。プラズマの
保持は、真空容器内につくられる磁場によって行われ
る。そのプラズマに面しているプラズマ対向機器の材料
表面は、これらの燃料ガス（Ｄ、Ｔ）及びそのプラズマ
に直接晒されることとなり、その材料中にこれらの元素
が溶け込んでいくこととなる。

【０００４】図６は、炉心周辺の燃料の流れを模式的に
示した図である。超電導コイル５５で囲まれた真空容器
５１内に燃料注入装置５２からデューテリウム、トリチ
ウムが供給される。真空容器５１内は、真空排気装置５
３により真空排気される。真空容器５１の内部空間にプ
ラズマ６３を発生させ、そのプラズマを種々の励起手段
によって１億度以上の温度に加熱する。真空容器５１の
内面の一部に、ダイバータ板６１が取り付けられてい
る。ダイバータ板６１は、プラズマ周辺部の粒子を中性
化する。真空容器５１、ダイバータ板６１には燃料ガス
及びそのプラズマが直接接することとなり、その材料中
に燃料ガスの元素が溶け込むこととなる。

【０００５】一方、トリチウムは放射性元素であり、核
融合炉全体の安全管理上、真空容器５１等の材料に含ま
れるトリチウム量を把握しておく必要がある。上記特開
平１０−４８３７０号公報に開示された方法では、トリ
チウムを分析可能な形で取り出し、四重極質量分析等に
より、取り出されたトリチウムを検出する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】四重極質量分析による
方法では、感度が低く、微量の特定原子を検出すること
が困難である。

【０００７】本発明の目的は、微量の特定原子を、感度
よく検出することが可能な固体中の特定原子の検出方法
及び検出装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、検出対象原子を含む測定対象物に、該検出対象原子
の励起波長のレーザを照射し、アブレーションを起こさ
せる工程と、前記アブレーションを起こさせる工程で前
記測定対象物から飛散した飛散物質中の前記検出対象原
子のイオンを検出する工程とを有する固体中の特定原子
の検出方法が提供される。

【０００９】アブレーションを起こさせるためのレーザ
の波長が、検出対象原子の励起波長にされているため、
検出対象原子を効率的にイオン化することができる。こ
のため、検出対象原子を、高感度に検出することができ
る。

【００１０】本発明の他の観点によると、測定対象物の
周囲の空間に引出電界を発生させる引出電極と、測定対
象物にレーザを照射するレーザ光源と、測定対象物から
飛散した飛散物質中のイオンのうち、前記引出電界によ
り引き出されたイオンを分析する飛行時間型質量分析計
とを有する特定原子検出装置が提供される。

【００１１】飛行時間型質量分析計を用いることによ
り、微量のイオン種をも検出することが可能になる。

【００１２】本発明の他の観点によると、検出対象原子
を含む測定対象物に、第１のレーザを照射してアブレー
ションを起こさせるとともに、アブレーションにより飛
散した飛散物質に、該飛散物質中に含まれる前記検出対
象原子の励起波長の第２のレーザを照射し、前記検出対
象原子をイオン化する工程と、前記飛散物質中の前記検
出対象原子のイオンを、飛行時間型質量分析計で検出す
る工程とを有する固体中の特定原子の検出方法が提供さ
れる。

【００１３】第２のレーザにより、検出対象原子を選択
的に、かつ効率的にイオン化することができる。飛行時
間型質量分析計で検出対象原子のイオンを検出すること
により、微量のイオンを高感度で検出することができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例による検
出装置の概略図を示す。真空容器１内に、引出電極２ａ
及び２ｂが配置されている。引出電極２ａ及び２ｂは、
相互にほぼ平行に配置され、両者に挟まれた空間内に測
定対象物５が保持される。一方の引出電極２ａに正電圧
が印加され、他方の引出電極２ｂに負電圧が印加されて
いる。この電圧により、引出電極２ａ及び２ｂに挟まれ
た空間内に引出電界が発生する。負電圧が印加されてい
る引出電極２ｂはメッシュ状にされている。

【００１５】レーザ光源１０から放射されたレーザが、
レンズ１１で集光され、レーザ導入窓１３を透過して真
空容器１内に導入される。真空容器１内に導入されたレ
ーザは、測定対象物５を照射する。レーザ光源１０は、
例えば波長可変の色素レーザ装置である。レンズ１１
は、例えば焦点距離３００ｍｍの凸レンズである。

【００１６】測定対象物５にレーザが照射されるとアブ
レーションが生じ、測定対象物５の表面層の一部が飛散
する。飛散物質中には、測定対象物５を構成する原子、
測定対象物５に含まれている不純物原子、及びこれらの
イオンが含まれている。正のイオンは、引出電界により
メッシュ状の引出電極２ｂに引き寄せされ、真空容器１
に取り付けられた飛行時間型質量分析計２０に導入され
る。

【００１７】図２は、飛行時間型質量分析計２０の概略
断面図を示す。真空容器１内に引出電極２ａ及び２ｂが
配置されており、引出電極２ｂよりも下流側（図２の左
側）に、飛行時間型質量分析計２０が配置されている。
飛行時間型質量分析計２０は、真空ダクト４０、及びそ
の内部に配置された加速電極２５、スリット２６、２
７、２８、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）２９、
アノード（コレクタ）３０、及び電流計３１を含んで構
成される。

【００１８】真空ダクト４０の上流側開口部に引出電極
２ｂが取り付けられている。加速電極２５、スリット２
６、２７、２８、ＭＣＰ２９、及びアノード３０は、上
流側から下流側に向かってこの順番に配置されている。
例えば、引出電極２ａとアブレーション位置Ｐとの距離
Ｌ１は４０ｍｍ、アブレーション位置Ｐと引出電極２ｂ
との距離Ｌ２は１０ｍｍである。引出電極２ｂと加速電
極２５との間隔Ｌ３は３０ｍｍ、加速電極２５とスリッ
ト２６との間隔Ｌ４は１１４ｍｍ、スリット２６とスリ
ット２７との間隔Ｌ５は１４０ｍｍ、スリット２７とＭ
ＣＰ２８との間隔は７０ｍｍである。

【００１９】ＭＣＰ２９は、内壁を抵抗体とした細いガ
ラスパイプを多数束ねた二次元構造を有する。それぞれ
のガラスパイプは、独立した二次電子増倍器を形成して
いる。各ガラスパイプの入射側の端部からイオンが入射
し、その内壁に衝突すると、内壁から二次電子が放出さ
れる。ＭＣＰ２９の両端には電圧が印加されており、放
出された二次電子は、この電圧により生ずる電界によっ
て加速され、再び内壁に衝突し二次電子を放出する。こ
の過程がガラスパイプに沿って繰り返され、出力側から
多数の二次電子が放出される。

【００２０】例えば、引出電極２ａに０Ｖの電位が印加
され、引出電極２ｂに−３００Ｖの電位が印加され、加
速電極２５、スリット２６、２７、２８、及びＭＣＰ２
９の入口２９ａに−２３００Ｖの電位が印加され、ＭＣ
Ｐ２９の出口２９ｂ及びアノード３０に−３００Ｖの電
位が印加されている。

【００２１】位置Ｐにおいてアブレーションにより生成
した飛散物質中の正イオンは、引出電極２ｂに引き寄せ
られ、加速電極２５で加速されてスリット２６、２７、
２８を通過し、ＭＣＰ２９に入射する。入射するイオン
の量に応じた二次電子がＭＣＰ２９の出口２９ｂから放
出される。この二次電子がアノード３０に補足され、電
流計３１により検出される。

【００２２】加速電極２５により加速されたイオンの速
さは、ｑ／ｍに比例する。ここで、ｑはイオンの電荷
量、ｍはイオンの質量である。イオン種によりＭＣＰ２
９に到達するまでの時間が相違するため、飛散物質に含
まれるイオンを、イオン種ごとに検出することができ
る。また、イオン電流の大きさにより、飛散物質中の当
該イオン濃度を知ることができる。すなわち、測定対象
物に含まれる特定原子の濃度に関する情報を得ることが
できる。

【００２３】次に、図１及び図２に示す検出装置を用い
て、固体の測定対象物中の特定原子を検出する方法につ
いて説明する。ここでは、加速器によりデューテリウム
を打ち込んだグラファイト中に含まれるデューテリウム
を検出する場合を例にとって説明する。

【００２４】図１に示す測定対象物５に、デューテリウ
ムの励起波長の波長域のパルスレーザを照射する。実施
例で用いたレーザは、１パルス当たりのエネルギ１００
μＪ、パルスの繰り返し周波数１０Ｈｚ、波長２４３．
０７〜２４３．０８ｎｍのものである。

【００２５】図３（Ａ）は、飛行時間型質量分析計２０
により得られた信号強度を示す。横軸はイオンの飛行時
間を単位「μｓ」で表し、縦軸は信号強度を任意目盛り
で表す。飛行時間約８μｓ、約１．１μｓ、約２．３μ
ｓの位置に、それぞれ水素イオン（Ｈ⁺）、デューテリ
ウム（Ｄ⁺）、及び炭素イオン（Ｃ⁺）に対応するピー
クが現れている。デューテリウムイオンに相当するピー
クの有無を判定することにより、測定対象物中のデュー
テリウムの有無を判断することができる。さらに、その
ピークの高さを測定することにより、測定対象物中に含
まれるデューテリウム濃度に関する情報を得ることがで
きる。

【００２６】図３（Ｂ）は、レーザの波長を、２４３ｎ
ｍとした場合の測定結果を示す。この場合には、デュー
テリウムイオンに対応するピークが現れていない。これ
は、使用したレーザ波長がデューテリウムの励起波長と
異なるため、デューテリウムがイオン化されにくく、飛
行時間型質量分析計で検出できなかったためと考えられ
る。

【００２７】測定対象物をアブレーションさせるための
レーザとして、デューテリウムの励起波長のものを用い
ることにより、測定対象物をアブレーションさせるとと
もに、デューテリウムを効率的にイオン化することがで
きる。このため、微量なデューテリウムを高感度に検出
することが可能になる。

【００２８】なお、上記実施例による方法を用いると、
質量数が同一の原子もしくは分子を弁別することが可能
になる。一般的な質量分析法では、質量数の同じ原子も
しくは分子を弁別することは困難である。例えばＴ原子
とＨＤ分子とは、共に質量数が３であるから、一般的な
質量分析法でこの２種の粒子を弁別することは困難であ
る。上記実施例による方法を用いる場合には、いずれか
一方の粒子の励起波長のレーザ光を用いてアブレーショ
ンさせることにより、当該一方の粒子を優先的に検出す
ることができる。

【００２９】一般的に、デューテリウムの励起波長と
は、一光子で励起する場合には、デューテリウム原子の
吸収スペクトルにおいて、光吸収を示す波長に一致す
る。多数の光子で励起する場合には、吸収波長の整数倍
になる。ただし、本実施例の場合には、デューテリウム
の励起波長は、後述するように、デューテリウム原子の
吸収スペクトルにおいて吸収を示す波長とはややずれ
る。

【００３０】水素原子の吸収スペクトルの波長λは、

【００３１】

【数１】１／λ＝Ｒ（１／ｍ²−１／ｎ²）と表される。ここで、Ｒはリュードベリ定数、ｍは、
１、２、３、・・・、ｎはｍ＋１、ｍ＋２、ｍ＋３、・
・・である。上記の式において、ｍ＝１、ｎ＝２とする
と、λ（１，２）≒１２１．５ｎｍとなる。実施例で用
いたレーザの波長２４３．０７〜２４３．０８ｎｍは、
励起波長λ（１，２）の約２倍の波長に相当する。

【００３２】ここで、リュードベリ定数Ｒは、原子の換
算質量ｕに比例する。また、水素同位体の換算質量ｕ
は、原子核の質量をＮ、電子の質量をｍ_eとした場合、

【００３３】

【数２】１／ｕ＝１／Ｎ＋１／ｍ_e と表される。陽子と中性子の質量を等しいと近似し、そ
れをＭとすると、Ｈの場合にはＮ＝Ｍ、Ｄの場合にはＮ
＝２×Ｍ、Ｔの場合にはＮ＝３×Ｍとなる。この換算質
量を用いて、各同位体Ｄ及びＴの励起波長とＨの励起波
長との関係を求めることができる。Ｍ＝１０００ＭｅＶ
／Ｃ²、ｍ_e＝０．５ＭｅＶ／Ｃ²、Ｈの励起波長を２
４３．１３ｎｍとすると、Ｄの励起波長は２４３．０７
ｎｍ、Ｔの励起波長は２４３．０５となる。

【００３４】上記実施例では、アブレーション用のレー
ザがデューテリウムのイオン化用のレーザを兼ねている
が、アブレーション用のレーザとイオン化用のレーザを
分けてもよい。この場合には、イオン化用のレーザの波
長を、デューテリウムの励起波長とする。

【００３５】図４は、レーザの波長と、デューテリウム
イオンに対応するピークの高さとの関係を示す。横軸は
レーザの波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は飛行時間型
質量分析計で得られた信号強度を任意目盛りで表す。図
４中の実線は、グラファイトにレーザを照射してアブレ
ーションを起こさせる上記実施例による方法でデューテ
リウムを検出した場合を示し、破線は、デューテリウム
を含むガスにイオン化用のレーザを照射してデューテリ
ウムを検出した場合を示す。

【００３６】ガス中のデューテリウムを検出する場合に
は、波長２４３．０６９ｎｍ近傍でピークを示す。これ
に対し、アブレーションを起こさせてデューテリウムを
検出する場合には、ピークがブロードになり、その最大
値を与える波長が約２４３．０７６ｎｍになる。図４の
グラフから、アブレーションを起こさせて固体中のデュ
ーテリウムを検出する場合には、レーザの波長を２４
３．０７０〜２４３．０８１ｎｍとすることが好ましい
ことがわかる。理由は明らかではないが、固体中のデュ
ーテリウムを、アブレーション現象を利用して検出する
場合と、ガス中のデューテリウムを検出する場合とで、
用いるレーザの最適波長が異なることがわかった。

【００３７】次に、測定対象物の深さ方向のデューテリ
ウムの濃度分布を測定する方法について説明する。測定
対象物の表面の特定の箇所にパルスレーザを繰り返し照
射し、飛行時間型質量分析計により飛散物質の質量分析
を行った。

【００３８】図５は、デューテリウムイオンに対応する
ピークの信号強度と、パルスレーザのショット回数との
関係を示す。横軸はショット回数を表し、縦軸は信号強
度を任意目盛りで表す。図５中の実線ａ、ｂ、ｃは、そ
れぞれレーザ波長を２４３．０７４ｎｍ、２４３．０８
０ｎｍ、及び２４３．０６０ｎｍとした場合の信号強度
を示す。用いたレーザは、１パルスあたりのエネルギ１
００μＪ、パルスの繰り返し周波数１０Ｈｚのものであ
る。

【００３９】測定対象物にレーザを照射すると、アブレ
ーションが生じて表面に微小な窪みができる。ショット
回数を増加させると、この窪みが深くなる。すなわち、
ショット回数は、測定対象物の深さに対応していると考
えることができる。

【００４０】レーザ波長を２４３．０７４ｎｍまたは２
４３．０８０ｎｍとした場合、ショット回数が３００〜
３４０回近傍の領域で信号強度が大きくなっている。こ
れは、ショット回数３００〜３４０回程度の照射により
形成された窪みの深さに相当する位置に、デューテリウ
ムが多く分布していることを表している。このように、
信号強度を、パルスレーザのショット回数と関連付けて
測定することにより、深さ方向のデューテリウムの濃度
分布に関する情報を得ることができる。

【００４１】なお、レーザ波長を２４３．０６０ｎｍと
した場合には、図４からも予測されるように、デューテ
リウムイオンに対応するピークは観測されない。

【００４２】上記実施例では、デューテリウムを検出す
る場合を説明したが、同様の方法でトリチウムを検出す
ることもできる。このとき、換算質量から求めたＤとＴ
の励起波長、及びＤを検出するための好適なレーザ波長
との関係から、Ｔを検出するための好適なレーザ波長
は、２４３．０５０〜２４３．０６０ｎｍであると予測
される。

【００４３】上記実施例では、グラファイト中のデュー
テリウムを検出する場合を説明したが、同様の方法を用
いて固体中の特定原子を検出することが可能である。こ
のとき、測定対象物に照射するレーザの波長を、検出す
べき特定原子が、アブレーションにより飛散した飛散物
質中にある場合の励起波長とする。これにより、特定原
子を効率的にイオン化させ、飛行時間型質量分析計を用
いて、特定原子を高感度に検出することが可能になる。

【００４４】アブレーションにより飛散した物質中に含
まれる特定原子の励起波長は、ガス中の当該特定原子の
励起波長と異なることがある点に注意を要する。ガス中
の当該特定原子の励起波長の近傍でレーザの波長を変化
させ、特定原子に対応するピークの信号強度を測定する
ことにより、アブレーションを利用する場合の好適な波
長域を決定することができる。例えば、Ｃｕ原子を検出
する場合には、レーザ波長を２３１．８２ｎｍ近傍と
し、Ｆｅ原子を検出する場合には、レーザ波長を２２
３．８３ｎｍ近傍とし、Ａｌ原子を検出する場合には、
レーザ波長を２２８．１５ｎｍ近傍とする。

【００４５】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
測定対象物に照射するレーザの波長を好適化することに
より、固体中の特定原子を高感度に検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で用いられる検出装置の概略図である。

【図２】飛行時間型質量分析計の概略を示す断面図であ
る。

【図３】図３（Ａ）は、レーザの波長を好適化したとき
の、飛行時間型質量分析計による信号強度を表すグラフ
であり、図３（Ｂ）は、レーザの波長を好適範囲からず
らしたときの、飛行時間型質量分析計による信号強度を
表すグラフである。

【図４】デューテリウムイオンに対応するピークの信号
強度とレーザ波長との関係を示すグラフである。

【図５】デューテリウムイオンに対応するピークの信号
強度とパルスレーザのショット回数との関係を示すグラ
フである。

【図６】核融合炉の炉心周辺の燃料の流れを示す断面図
である。

【符号の説明】

１真空容器２ａ、２ｂ引出電極５測定対象物１０レーザ光源１１レンズ１３レーザ導入窓２０飛行時間型質量分析計２５加速電極２６、２７スリット２８ＭＣＰ２９減速電極３０アノード３１電流計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者萬雅史東京都田無市谷戸町２丁目１番１号住友重機械工業株式会社田無製造所内 (72)発明者横川伸久東京都田無市谷戸町２丁目１番１号住友重機械工業株式会社田無製造所内 (72)発明者山西敏彦茨城県那珂郡那珂町向山字中原801番地日本原子力研究所那珂研究所核融合工学部トリチウム工学研究室内 (72)発明者西正孝茨城県那珂郡那珂町向山字中原801番地日本原子力研究所那珂研究所核融合工学部トリチウム工学研究室内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出対象原子を含む測定対象物に、該検
出対象原子の励起波長のレーザを照射し、アブレーショ
ンを起こさせる工程と、前記アブレーションを起こさせる工程で前記測定対象物
から飛散した飛散物質中の前記検出対象原子のイオンを
検出する工程とを有する固体中の特定原子の検出方法。
【請求項２】前記検出対象原子のイオンを検出する工
程において、飛行時間型質量分析計でイオンの検出を行
う請求項１に記載の固体中の特定原子の検出方法。
【請求項３】前記レーザがパルスレーザであり、前記
アブレーションを起こさせる工程において、前記測定対
象物のある箇所に、該パルスレーザを繰り返し照射し、前記検出対象原子を検出する工程において、前記パルス
レーザの繰り返し照射回数と関連付けて、前記検出対象
原子を検出する請求項１または２に記載の固体中の特定
原子の検出方法。
【請求項４】前記検出対象原子がデューテリウムであ
り、前記レーザの波長が２４３．０７０〜２４３．０８
１ｎｍである請求項１または２に記載の固体中の特定原
子の検出方法。
【請求項５】前記検出対象原子がトリチウムであり、
前記レーザの波長が２４３．０５０〜２４３．０６０ｎ
ｍである請求項１または２に記載の固体中の特定原子の
検出方法。
【請求項６】測定対象物の周囲の空間に引出電界を発
生させる引出電極と、測定対象物にレーザを照射するレーザ光源と、測定対象物から飛散した飛散物質中のイオンのうち、前
記引出電界により引き出されたイオンを分析する飛行時
間型質量分析計とを有する特定原子検出装置。
【請求項７】前記レーザ光源が、波長２４３．０７０
〜２４３．０８１ｎｍのレーザを放射する請求項６に記
載の特定原子検出装置。
【請求項８】前記レーザ光源が、波長２４３．０５０
〜２４３．０６０ｎｍのレーザを放射する請求項６に記
載の特定原子検出装置。
【請求項９】検出対象原子を含む測定対象物に、第１
のレーザを照射してアブレーションを起こさせるととも
に、アブレーションにより飛散した飛散物質に、該飛散
物質中に含まれる前記検出対象原子の励起波長の第２の
レーザを照射し、前記検出対象原子をイオン化する工程
と、前記飛散物質中の前記検出対象原子のイオンを、飛行時
間型質量分析計で検出する工程とを有する固体中の特定
原子の検出方法。