JP2016508612A - レーザ誘起プラズマ分光法による表面層の組成の解析システムおよび方法、ならびに相補的分析を実施するためにサンプルを採取するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

システムは、材料の表面層と相互作用可能でありかつ材料（４）の表面上にプラズマを生成するパルスレーザビームを発生させる単一パルスレーザ（６）と、材料の表面上にレーザビームを集束する装置（１０、１２）と、プラズマによって放射される光を収集する装置（１８、２０）と、収集した光のスペクトルを分析しかつスペクトル分析から表面層の元素組成（元素の性質および相対濃度）を決定する装置（２２）と、を含む。本発明によると、システムはまた、粒子を使用した追加の定性もしくは定量分析または検査のために、レーザビームの影響下で表面層から抽出された表面層を代表する粒子を吸引および収集する装置（３０、３２、３４）を含む。

Description

本発明は、ＬＩＢＳ（レーザ誘起ブレイクダウン分光法）による材料の表面層の組成の分析、および該表面層の追加の定性もしくは定量分析または、検査のための該表面層の代表粒子のサンプリングを可能にするシステムに関する。

より具体的には、本発明は、ＬＩＢＳによる材料の表面汚染の分析を可能にし、この汚染の検査を可能にするシステムに関する。

特に、材料の表面化学汚染の分析および検査に適用されるが、より詳細には材料の表面放射線汚染の分析および検査、特に工場、建物、およびより一般的に原子力施設における放射線調査の実施のために、特に汚染除去および／または解体の前、または汚染除去の後の、放射線状況の調査に適用される。

以下の文献を参照する。
特許文献１は、固体の表面汚染の検査に関する。特許文献２および３は、ＬＩＢＳ法による材料の分析に関する。特許文献４は、化学汚染物質によって汚染された被膜の汚染除去および汚染物質の分析に関し、そのためにＬＩＢＳ法を使用するものである。特許文献５は、ＬＩＢＳ法を実施することが可能な携帯型装置に関する。

これらの文献によって開示される技法のいずれも、材料の表面汚染の分析およびこの汚染を検査するためサンプリングまたは追加の定性または定量分析の実施の両方を可能にするものではない。

国際公開第９５／１７６５６号 米国特許第５，５８３，６３４号公報 米国特許第７，１０６，４３９号公報 国際公開第２０１１／０６０４０４号 国際公開２０１２／００５７７５号

本発明の目的は、この二つの目標を達成することにある。
単一パルスレーザを使用した、材料の表面層の組成の分析およびこの表面層の代表粒子のサンプリングの両方を可能にするシステム、ならびにこのシステムを実行するサンプリング及び分析方法を提案する。

したがって、本発明は、
材料の表面に存在する元素の化学的性質および相対濃度の分析を可能にするＬＩＢＳ法と、
採取されたサンプルの成分の精密な定量または追加の定性分析のために、ＬＩＢＳ法と同一のパルスレーザを使用したアブレーション粒子の吸引および収集を可能にするサンプリング法と、
の２つの技法を組み合わせる。

ＬＩＢＳ法の詳細の簡単な要約は以下の通りである。材料の表面のレーザパルスは、光を放射するプラズマを生成し、光は収集され分光計へと伝達され、こうして得られるスペクトル線が復元および分析される。

サンプリング法に関しては、（同一のパルスレーザを使用して）レーザパルスがまた材料の表面へと送られる。これにより、材料の表面の粒子のアブレーションがもたらされる。アブレーション粒子は、サンプリング手段によって吸引され、その後フィルタ上で収集される。

材料の放射能汚染表面の分析および検査の分野における特定の応用を考慮する場合、フィルタ上で収集された放射能を計算することによって汚染の定量（Ｂｑ／ｃｍ^２で表される）が行われ、この定量は、インサイチューで実施されるかまたはフィルタが送られた実験室内で実施される。

詳細には、本発明の対象は、
材料の表面層と相互作用し、かつ材料の表面上にプラズマを生成することが可能である、パルスレーザビームを生成する単一のパルスレーザと、
材料の表面上にパルスレーザビームを集束する装置と、
プラズマによって放射される光を収集する装置と、
こうして収集された光をスペクトル分析し、スペクトル分析から表面層の元素組成を決定する装置と、を備えた、レーザ誘起ブレイクダウン分光法によって、材料の表面層、特に放射性層の組成を分析するシステムであって、
吸引および収集された粒子を使用して、少なくとも１つの追加の定性または定量分析、または少なくとも１つの検査、特に放射能汚染検査を行うために、集束パルスレーザビームの影響下で表面層から抽出されたこの表面層の代表粒子を吸引および収集する装置をさらに備えることを特徴とするシステムである。

本発明の対象を形成するシステムの１つの好ましい実施形態によると、パルスレーザおよび集束装置は、材料の表面で１ＧＷ／ｃｍ^２から５０ＧＷ／ｃｍ^２の範囲内の電力密度を得るように選択される。

集束装置は、好ましくは、材料の表面で、その寸法（より正確には略円形のレーザビームの集束径）が、１μｍから１０μｍの範囲内の集束パルスレーザビームを得るように選択される。

粒子を吸引および収集する装置は、好ましくは、２０ｍ／ｓから２００ｍ／ｓの範囲内の吸引速度を得るように選択される。

本発明の１つの好ましい実施形態によると、パルスレーザビーム集束装置は、
パルスレーザに接続された第１端と、第２端と、を有する光ファイバと、
光ファイバの第２端に配置された集束レンズと、を含む。

プラズマによって放射される光を収集する装置は、その一端が好ましくは光収集レンズに取り付けられた光ファイバを含み得る。

本システムは好ましくは携帯型であり、粒子を吸引および収集する装置は、
この表面層の代表粒子を含む空気を吸い込む吸引サイクロンと、
空気を吸い込むポンプと、
ポンプをサイクロンに接続するダクトと、を含む。

この装置は、
吸引空気に含まれた粒子が堆積するフィルタ、例えばペーパーフィルタと、
フィルタ上に堆積された粒子を使用して、追加の定性もしくは定量分析または検査を行うために、フィルタをそこに配置するためおよび前記フィルタをそこから取り外すためにダクト上に装着され、着脱可能である得るハウジングと、を含み得る。

任意で、システムはさらに、フィルタ上に堆積された粒子を使用して、追加の定量分析もしくは追加の定性分析（したがってスペクトル分析による分析以外の分析）、または検査、特に放射能汚染検査を行う装置を含み得る。放射能汚染検査の場合、この直接検査により、より充実した設備を必要とする精密な検査が非リアルタイムで実験室で実施されることを認識した上で、前記汚染を調査することが可能となる。

本発明の対象を形成するシステムの別の特定の実施形態によると、粒子を吸引および収集する装置は、
材料の表面層から抽出された粒子を含む空気を吸い込む吸引ヘッドと、
空気を吸い込むポンプと、
ポンプを吸引ヘッドと接続するダクトと、
ダクト上に装着されるハウジングと、
格子の上に、この格子のそれぞれ両側に２つの開口部を有するハウジング内に配置された格子と、
格子の上部を移動することができ、ハウジングの両方の開口部を横切ることが可能であり、吸引空気に含まれる粒子がそこに堆積されるフィルタ、例えばペーパーフィルタと、
フィルタ上に堆積された粒子を使用した追加の定性もしくは定量分析または検査、特に放射能汚染検査を行う装置と、
格子の上で、および追加の定性もしくは定量分析または検査、特に放射能汚染検査を行う装置の位置で、フィルタを移動させる装置と、を含む。

本発明の別の対象は、本発明の対象を形成するシステムを実施して、材料の表面層の組成をＬＩＢＳによって分析し、かつ少なくとも１つの追加の定性もしくは定量分析、またはこの表面層の少なくとも１つの検査、より詳細には少なくとも１つの放射能汚染検査のためにサンプルを採取する方法である。

この方法は、第１のＬＩＢＳによる分析ステップと、第２のサンプリングステップと、第３の追加の定性もしくは定量分析または検査ステップとを含み、これらの第１および第２ステップは同時にまたは順に実施される。

この方法の第１の特定の実施形態によると、第１のステップにおいて、材料のＬＩＢＳ分析を実施し、ＬＩＢＳ分析の結果少なくとも１つの対象の化学元素、例えば放射性汚染物質の存在が明らかになれば、次いで第２のステージにおいて、追加の定性もしくは定量分析または検査を実施するために、レーザビームの衝撃によって放出された材料の表面層のサンプルを採取する。この場合、該方法は経時的に実施される。この第１の実施形態の１つの利点は、サンプル採取された材料が対象の元素を実際に含むことが確実であるため、フィルタの使用および消耗を制限することができる。したがって、発生する廃棄物が減少し、実験室で追加の分析または検査が実施される場合には、分析の失敗回数を制限することができ、時間の浪費の減少および実験室の資源の使用量の減少につながる。

パラレルモードとも呼ばれる第２の特定の実施形態によると、ＬＩＢＳによる分析およびサンプリングの２つのステップを同時に実施する。系統的および自動化された検査の場合には、ＬＩＢＳ分析およびサンプリングフィルタの分析の結果を同時に得ることが可能となり、これらの分析は相補的であり得る。

本発明は、添付の図面を参照して、単に表示のためであって限定を意図するものではない以下の例示的実施形態の説明を読むことでより深く理解されるであろう。

図１は、携帯型である、本発明の対象を形成するシステムの第１の特定の実施形態の概略図である。 図２は、固定型である、本発明の対象を形成するシステムの第２の特定の実施形態の概略図である。

図１は、材料の表面放射能汚染の検査への適用における、本発明の第１の実施例を概略的に図示する。

したがって、これは、分析だけでなく、材料４の表面汚染２の検査もまた可能にするシステムである。分析には、ＬＩＢＳ法を使用する。記載した実施例では、システムは携帯型である。材料の表面汚染は、放射線特性のものである。

図１に表した放射能汚染を分析および検査するシステムは、
表面汚染２との相互作用および材料４の表面でのプラズマ８の生成が可能な、パルスレーザビームを形成するための単一パルスレーザ６、例えばパルスＹＡＧレーザと、
材料４の表面上にパルスレーザビームを集束する装置と、を含む。

この装置は、その一端がレーザ６に光学的に結合された光ファイバ１０を含む。材料４の表面上にパルスレーザビームを集束するために、ファイバ１０の他端には集束レンズ１２が取り付けられる。

図からわかるように、図１のシステムは、ハンドル１６を備えたユニット１４を含む。レンズ１２を終端とするファイバ１０の端部は、略線形であり、ユニット１４内に収容されている。ハンドル１６を使用して、分析される材料にシステムを向け、ビームをこの材料の表面上に集束させることができる。

図１のシステムはさらに、プラズマ８によって放射される光を収集する装置を含む。この例では、装置は、その一端に好ましくは集束レンズ２０が取り付けられた光ファイバ１８を含む。図からわかるように、レンズ２０は、レンズ１２と同一平面であるが、それよりも下部に配置されている。

システムはさらに、こうして収集された光のスペクトル分析を実施し、こうして実施されるスペクトル分析から表面層の元素組成を決定する装置２２を含む。この装置２２は、
ファイバ１８の他端が取り付けられた分光計２４と、
汚染物質の元素組成を決定するために、分光計２４によって提供されるスペクトルを処理する装置２６と、を含む。

この装置２６には、得られた結果を表示する装置２８が備えられている。

本発明によると、図１のシステムはさらに、吸引および収集された粒子を使用して表面汚染を検査するために、集束パルスレーザビームの影響下で表面から抽出された表面汚染２の粒子を吸引および収集する装置を含む。

この装置は、
表面汚染２の粒子を含む空気を吸い込む吸引サイクロン３０と、
空気を吸い込むポンプ３２と、
ポンプ３２をサイクロン３０に接続するダクト３４と、を含む。

吸引空気は、図１において矢印Ｆで象徴的に表されている。

粒子を吸引および収集する装置はさらに、
吸引空気中に含まれる粒子がそこに堆積するフィルタ３６、例えばペーパーフィルタと、
フィルタ３６上に堆積した粒子を使用して表面汚染２を検査するために、フィルタ３６をそこに装着しかつ前記フィルタをそこから取り外すためにダクト３４に装着されたハウジング３８と、を含む。

この検査は実験室で実施することができ、その場合はフィルタ３６を輸送しなければならない。検査を実施するために、比例計数管が、例えば電子計数手段と組み合わせて使用される。

図１に見られるように、光ファイバ１０の略線形端部は、吸引サイクロン３０内にあり、サイクロン内の空気の移動によって乱されるのを防ぐためにこのファイバを保護する管４０に収容されている。

加えて、記載された例では、ハウジング３８は、ダクト３４に継続的に装着されている。しかしながら、変形例として、着脱可能なハウジング３８を使用してもよい。これにより、フィルタ上で収集された粒子のサンプルの追加の定性または定量分析を実施するために、ハウジング内のままフィルタを実験室に輸送することが可能となる。装置に依存しないやり方で実施されるそのような追加の分析の例として、同位体スペクトルの確立が挙げられる。加えて、実験室は、例えば分析および検査される材料の近くに移動することができる乗り物内にあり得る。

使用する２つの技法に戻ると、ＬＩＢＳ法および汚染検査法である。本発明では、特に図１に表すシステムでは、これらの２つの技法が組み合わされる。これにより、材料に蓄積される電力密度Ｄの選択、材料における集束パルスレーザビームの寸法Ｔ、すなわちレーザスポットは一般的に略円形であるため材料上のレーザスポットの径の選択、および吸引速度Ｖの選択に関する問題が生じる。

実際、パラメータＤおよびＴは、２つの技法で異なる値を有する。パラメータＶに関しては、高すぎる値を選択すると、プラズマが吸引されるリスクが存在し、分光分析の質に悪影響を及ぼす可能性がある。実際、空気またはガス注入（１）または吸引（２）機能の各々が有効になる最適なバランスを見つけることが必要とされ得る、空気またはガス、例えば不活性ガスの噴射がプラズマに向けられると、ＬＩＢＳ法の使用が容易になることが知られている。

本発明、特に図１のシステムを実行する場合、パラメータＤ、ＴおよびＶを選択するときに使用する両方の技法で両立できる値の最適な範囲を使用すべきである。選択される値の範囲は以下に与えられる。

パルスレーザ６および集束は、材料４の表面で１ＧＷ／ｃｍ^２から５０ＧＷ／ｃｍ^２の範囲内の電力密度Ｄを得るように選択される。単に情報のためであり、非限定的には、Ｄは略３０ＧＷ／ｃｍ^２と等しい。

加えて、集束は、材料４の表面でのその寸法Ｔが１μｍから１０μｍの範囲内である集束パルスレーザビームを得るように選択される。単に情報のためであり、非限定的には、略５μｍに等しい寸法Ｔが選択される。

粒子を吸引および収集する装置（図１の例ではポンプ‐ダクト‐サイクロン）は、２０ｍ／ｓから２００ｍ／ｓの範囲、好ましくは２０ｍ／ｓから１５０ｍ／ｓの範囲内の吸引速度Ｖを得るように選択される。

図１を参照して説明されたシステムは、汚染材料がある場所への持ち運び、より一般的には輸送が可能なタイプのものである。

しかしながら、本発明による固定システムも設計することが可能であり、その場合、汚染材料をシステムまで持ってこなければならない。

材料の表面放射能汚染検査への応用に関連する本発明による固定システムの例もまた、図２によって概略的に図示されている。

このシステムの場合、粒子を吸引および収集する装置は、
汚染表面の粒子を含む空気を吸い込む吸引ヘッド４２と、
空気を吸い込むポンプ４４と、
吸引ヘッド４２にポンプ４４を接続するダクト４６と、
ダクト４６に装着されるハウジング４８と、
格子５０の上に、この格子のそれぞれ両側に２つの開口部５２および５４を有する、ハウジング４８内に位置する格子５０と、
格子５０上を移動することができ、ハウジング４８の両方の開口部５２および５４を横切ることが可能であり、吸引空気に含まれる粒子が堆積するフィルタ５６、例えばペーパーフィルタと、
フィルタ５６上に堆積した粒子を使用して汚染を検査する装置５８と、
汚染を検査するために、格子５０上でおよび装置５８の位置でフィルタ５６を移動させる装置６０と、を含む。

矢印ｆは、吸引空気の移動を示す。

図２の例では、フィルタ５６は、フィルタペーパーのストリップの形態をとり、リール６２から広げられる。このストリップは、表示されていないモーターによって制御される駆動ローラ６４用いて移動される。

ストリップは、それを支持する格子５０の上、次いで検査装置５８の位置で連続して通過する。ストリップが、それを支持するプレート６６の上部を通過し、装置５８がこのプレート６６の上にあることがわかる。

図２の例では、この装置５８は、比例計数管である。これは、電子計数手段６８と組み合わせられる。

比例計数管の位置を通過した後のフィルタペーパーを回収する装置７０が見られる。

図２はまた、使用される例えばＹＡＧ型の単一パルスレーザ６、集束パルスレーザビーム７２を受ける分析材料４、ビームを材料４の近くの領域に導光する光ファイバ１０、図示されていない手段で保護されるトラバース吸引ヘッド４２を示す。レーザビームの集束レンズは図示されていない。

図２では、生成したプラズマによって放射される光の回復および分析の多様な手段は図示されていない。しかしながら、当業者であれば、図１に関して対応する手段をこの図２に容易に採用することができる。

図１の場合には汚染分析が非リアルタイムで行われるのに対して、この図２の場合、汚染はリアルタイムで分析されることに留意すべきである。

本発明の対象である方法の例は以下の通りである。
＜シーケンシャルモードで実施される方法の例＞
‐汚染除去の最後での汚染検査：ＬＩＢＳ分析システムを走査モードで使用して可能な限り最も徹底的な方法で汚染除去された表面の特性を明らかにし、特有の化学元素、例えばウランが存在しないことを確実にする；有意な信号を検出した場合、サンプリングモードに切り替える；存在する汚染物質（ウランおよび適用可能であればその他の放射性元素）の精密な定量のためにこのサンプルを実験室に送る。
‐典型的なスペクトルの評価のためのサンプリング：分析システムのＬＩＢＳ部分を走査モードで使用して、設備および建物の表面上で、特有の元素、例えばウランが無視できない量（数Ｂｑ．ｃｍ^−２またはそれ以上）存在する領域を探す；ＬＩＢＳ装置が正確に較正されていれば、この領域に存在するウランの量を得ることができるが、この情報は放射線環境への介入を準備するには不十分であり、異なるウラン同位体にわたる分布を知ることが重要である；この場合、ＬＩＢＳ分析ステップにおいて対象領域が特定されるとすぐに、サンプリングシステムによってサンプルが採取され、こうして採取されたサンプルは、質量分析装置による分析のために実験室に送られる。事前に行われたＬＩＢＳ分析により、採取されたサンプルがこの追加の分析を行うために十分な材料を含むことを明確にすることができる。
＜パラレルモードで実施される方法の例＞
‐系統的品質管理：部品の被膜の品質、または不純物を含まないことが必要とされ、系統的検査によって実証されなければならない部品をシステムの前に配置する；系統的方法でＬＩＢＳ分析を実施し、同時にサンプルを採取する；ＬＩＢＳ分析の結果を使用して第１の即時分類を行い、可能であればサンプリングによってサンプル材料の追加の分析または検査を使用してＬＩＢＳによる分析を確認する。

本発明は、放射能汚染の事例（非汚染の確認または設備もしくは建物の物品上の表面の放射能定性および定量）、または化学汚染の事例（材料の表面上の不純物の有無の調査）に適用することができる。

４ 材料
６ パルスレーザ
１０、１８ 光ファイバ
１２、２０ レンズ
２２ スペクトル分析装置
３０、４４ 吸引サイクロン
３２ ポンプ
３４、４６ ダクト
３６、５６ フィルタ
３８、４８ ハウジング
４２ 吸引ヘッド
５０ 格子

Claims (11)

1. 材料（４）の表面層と相互作用し、かつ材料の表面上にプラズマを生成することが可能である、パルスレーザビームを生成する単一のパルスレーザ（６）と、
   前記材料の前記表面上に前記パルスレーザビームを集束する装置（１０、１２）と、
   前記プラズマによって放射される光を収集する装置（１８、２０）と、
   このやり方で収集された光をスペクトル分析し、前記スペクトル分析から前記表面層の元素組成を決定する装置（２２）と、を備えた、レーザ誘起ブレイクダウン分光法によって、材料の表面層、特に放射性層の組成を分析するシステムであって、
   吸引および収集された粒子を使用して、少なくとも１つの追加の定性もしくは定量分析、または少なくとも１つの検査、特に放射能汚染検査を行うために、集束パルスレーザビームの影響下で前記表面層から抽出されたこの表面層の代表粒子を吸引および収集する装置（３０、３２、３４；４２、４４、４６）をさらに備えることを特徴とするシステム。
2. 前記パルスレーザ（６）および集束装置（１０、１２）が、前記材料（４）の表面で１ＧＷ／ｃｍ^２から５０ＧＷ／ｃｍ^２の範囲内の電力密度を得るように選択される、請求項１に記載のシステム。
3. 集束装置（１０、１２）が、前記材料（４）の表面で、寸法が１μｍから１０μｍの範囲内の集束パルスレーザビームを得るように選択される、請求項１または２に記載のシステム。
4. 粒子を吸引および収集する装置（３０、３２、３４；４２、４４、４６）が、２０ｍ／ｓから２００ｍ／ｓの範囲内の吸引速度を得るように選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記パルスレーザビームの集束装置が、
   前記パルスレーザ（６）に接続された第１端と、第２端とを有する光ファイバ（１０）と、
   前記光ファイバ（１０）の前記第２端に配置された集束レンズ（１２）と、を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記プラズマによって放射される光を収集する装置が、その一端が好ましくは光を収集するレンズ（２０）に取り付けられている光ファイバ（１８）を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 携帯型であり、前記粒子を吸引および収集する装置が、
   この表面層の代表粒子を含む空気を吸い込む吸引サイクロン（３０）と、
   空気を吸い込むポンプ（３２）と、
   前記ポンプを前記サイクロンに接続するダクト（３４）と、
   を含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記粒子を吸引および収集する前記装置が、
   吸引空気に含まれた粒子が堆積されるフィルタ（３６）、例えばペーパーフィルタと、
   前記フィルタ上に堆積された粒子を使用して、追加の定性もしくは定量分析または検査を行うために、前記フィルタをそこに配置するためおよび前記フィルタをそこから取り外すために前記ダクト（３４）に装着され、着脱可能であり得る、ハウジング（３８）と、
   をさらに含む、請求項７に記載のシステム。
9. 前記フィルタ上に堆積された粒子を使用して、追加の定性もしくは定量分析または検査、特に放射能汚染検査を行う装置をさらに含む、請求項８に記載のシステム。
10. 前記粒子を吸引および収集する装置が、
    前記材料の前記表面層から抽出された前記粒子を含む空気を吸い込む吸引ヘッド（４２）と、
    空気を吸い込むポンプ（４４）と、
    前記ポンプを前記吸引ヘッドに接続するダクト（４６）と、
    前記ダクト上に装着されるハウジング（４８）と、
    格子の上に、この格子のそれぞれ両側に２つの開口部（５２、５４）を有する前記ハウジング内に配置された格子（５０）と、
    前記格子の上部を移動することができ、前記ハウジングの両方の開口部を横切ることが可能であり、吸引された空気に含まれる粒子がそこに堆積されるフィルタ（５６）、例えばペーパーフィルタと、
    前記フィルタ上に堆積された粒子を使用した追加の定性もしくは定量分析または検査、特に放射能汚染検査を行う装置（５８）と、
    前記格子の上で、および追加の定性もしくは定量分析または検査、特に放射能汚染検査を行う装置（５８）の位置で、前記フィルタを移動させる装置（６０）と、
    を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステムを実施する、材料の表面層の組成のレーザ誘起ブレイクダウン分光法による分析、および少なくとも１つの追加の定性もしくは定量分析、またはこの表面層の少なくとも１つの検査のためのサンプル採取のための方法であって、第１のレーザ誘起ブレイクダウン分光法による分析ステップと、第２のサンプリングステップと、第３の追加の定性もしくは定量分析または検査ステップと、を含み、第１のステップおよび第２のステップが同時にまたは経時的に実施されることを特徴とする、方法。

Images