JP5840400B2 - Method and apparatus for measuring concentration of metal surface adhering component - Google Patents

Method and apparatus for measuring concentration of metal surface adhering component Download PDF

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Description

本発明は、金属表面付着成分の濃度計測方法及び装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、金属表面に付着した微量成分例えば原子力発電所の使用済み燃料を長期保存するために用いるコンクリートキャスク内の金属製キャニスタの表面に付着する塩分の測定に好適な濃度計測方法および装置に関する。   The present invention relates to a method and an apparatus for measuring the concentration of a metal surface adhesion component. More specifically, the present invention is suitable for the measurement of a small amount of components adhering to a metal surface, for example, a salinity adhering to the surface of a metal canister in a concrete cask used for long-term storage of spent fuel of a nuclear power plant. The present invention relates to a measurement method and apparatus.

原子炉の使用済み核燃料の再処理までの中間貯蔵方式として、使用済み燃料を金属製貯蔵容器(キャニスタ)に収納して密封し、さらにコンクリート製貯蔵容器(コンクリートキャスク)に収めてから中間貯蔵施設の建屋に貯蔵することが考えられている。このコンクリートキャスク方式貯蔵施設における徐熱機能は、コンクリートキャスクと建屋の双方で担保されている。コンクリートキャスクにおける徐熱は、コンクリートキャスクの底部と上部に換気口を備え、キャニスタを冷却することにより温められた空気が上昇することにより起こる自然通風によって、コンクリートキャスク内を換気する自然空冷方式が採用されている。また、建屋における徐熱も、煙突効果を有する排気塔と換気口を備え、自然通風によって、建屋内を換気する自然空冷方式が採用されている。そして、この中間貯蔵施設は、安全性を考慮して多くの場合海岸の近くに建設されている。   As an intermediate storage method until the reprocessing of spent nuclear fuel in the nuclear reactor, the spent fuel is stored in a metal storage container (canister), sealed, and then stored in a concrete storage container (concrete cask) before the intermediate storage facility. It is considered to be stored in the building. The slow heat function in this concrete cask storage facility is secured by both the concrete cask and the building. Slow heat in the concrete cask is equipped with a ventilation port at the bottom and top of the concrete cask, and a natural air cooling system that ventilates the concrete cask by natural ventilation caused by rising air warmed by cooling the canister is adopted. Has been. In addition, for the gradual heat in the building, a natural air cooling method is adopted in which an exhaust tower having a chimney effect and a ventilation opening are provided, and the building is ventilated by natural ventilation. This intermediate storage facility is often constructed near the coast in consideration of safety.

したがって、海からの強風などで海岸から運ばれてきた塩分粒子が空気中に含まれていることがあり、その塩分が建屋内に止まらずさらにコンクリートキャスク内に侵入し、使用済み核燃料を密封しているキャニスタの表面に付着し、SCCと呼ばれる応力腐食割れを引き起こす可能性がある。SCCの発生を防止するためには、キャニスタ表面に付着する塩分濃度がSCCの発生に対する限界の表面付着物質濃度を超えないようにする必要がある。このためには、キャニスタ表面に付着する塩分濃度を正確に測定する必要がある。   Therefore, salt particles carried from the coast due to strong winds from the sea may be contained in the air, and the salt content does not stop in the building but further penetrates into the concrete cask to seal the spent nuclear fuel. May adhere to the surface of the canister and cause stress corrosion cracking called SCC. In order to prevent the occurrence of SCC, it is necessary that the salinity concentration adhering to the canister surface does not exceed the limit surface adhering substance concentration with respect to the occurrence of SCC. For this purpose, it is necessary to accurately measure the salinity concentration adhering to the canister surface.

従来、キャニスタ表面に付着する塩分を測定する方法としては、表面に付着する塩分を布でふき取ってその布に付着する塩分を化学的計測等で測定するスミヤ法や、レーザーで塩分を除去して雰囲気ごとコンクリートキャスクの外に取り出す排気経路上でレーザー光を海塩粒子に照射してその反射光を受けてスペクトルに分光して付着量を測定する方法(特許文献1)が提案されている。   Conventional methods for measuring the amount of salt attached to the surface of the canister include the smear method in which the amount of salt attached to the surface is wiped off with a cloth and the amount of salt attached to the cloth is measured by chemical measurement or the like. There has been proposed a method (patent document 1) in which the amount of adhesion is measured by irradiating sea salt particles with laser light on an exhaust path taken out of the concrete cask together with the atmosphere, receiving the reflected light, and spectrally analyzing it.

後者の特許文献1記載の測定方法は、伝送ファイバを介してコンクリートキャスクの外に設置したレーザ装置からキャニスタの外周面にレーザ光を照射し、キャニスタ外周面に付着した海塩粒子をレーザー光によりブラスト除去する一方、除去された海塩粒子をコンクリートキャスク内に引き込んだ吸引ホースによってアブレーションプルームをコンクリートキャスクの外に真空引きなどで採取し、測定部・測定ヘッドに海塩粒子を取り込んでから、海塩粒子にレーザを照射してその反射光を受けてスペクトルに分光して検出器でスペクトルから海塩粒子の濃度即ち付着量を測定しようとするものである。   In the latter measurement method described in Patent Document 1, laser light is irradiated to the outer peripheral surface of the canister from a laser device installed outside the concrete cask through a transmission fiber, and sea salt particles adhering to the outer peripheral surface of the canister are irradiated with laser light. While removing the blast, the ablation plume is taken out of the concrete cask by vacuuming with a suction hose with the removed sea salt particles drawn into the concrete cask, and the sea salt particles are taken into the measuring unit and measuring head. The sea salt particles are irradiated with a laser, and the reflected light is received and dispersed into a spectrum, and the concentration of the sea salt particles, that is, the adhesion amount is measured from the spectrum by a detector.

ここで、キャニスタ外周面から除去された海塩粒子は、吸引ホースを通してコンクリートキャスクの外に吸引される。このとき、測定ヘッド内ではレーザを照射してその反射光を測定装置に送る。そして、測定装置では、スペクトルに分光して検出器でスペクトルから海塩粒子の濃度即ち付着量を測定するようにしている。このため、測定ヘッド内に除去された海塩粒子を測定の間滞留させることが必要である。そこで、送風機の駆動を停止することあるいは測定ヘッドを送風機に対して遮断するなどの対策をとることにより、吸引ホース内を移動する海塩粒子の流れを測定ヘッド内で一旦停止させるようにしている。   Here, the sea salt particles removed from the outer peripheral surface of the canister are sucked out of the concrete cask through the suction hose. At this time, a laser is irradiated in the measuring head and the reflected light is sent to the measuring device. In the measuring apparatus, the spectrum is dispersed and the concentration of the sea salt particles, that is, the amount of adhesion is measured from the spectrum by the detector. For this reason, it is necessary to retain the sea salt particles removed in the measurement head during the measurement. Therefore, the flow of the sea salt particles moving in the suction hose is temporarily stopped in the measurement head by taking measures such as stopping the blower or blocking the measurement head from the blower. .

特開2007−271634号JP 2007-271634 A

しかしながら、付着成分を布でふき取るスミヤ法では、塩をふき取った布が放射化してしまうため、放射性廃棄物が増える問題がある。また遠隔での測定が困難であるため、測定を行う作業員が被爆する危険性がある。さらにリアルタイムでの計測が不可能であるという問題点があった。さらに少量の塩分の測定の場合、測定精度が悪いという問題点がある。   However, in the smear method in which the adhered components are wiped off with a cloth, there is a problem in that radioactive waste increases because the cloth wiped off with salt is activated. Moreover, since remote measurement is difficult, there is a risk that an operator who performs the measurement will be exposed to an explosion. Furthermore, there was a problem that measurement in real time was impossible. Furthermore, when measuring a small amount of salt, there is a problem that the measurement accuracy is poor.

また、特許文献1記載の塩分濃度測定法は、レーザーによりキャニスタから剥離させた塩分粒子をコンクリートキャスクの外の測定ヘッドに引き込んでから濃度測定するようにしているので、測定ヘッドに到達する前に吸引ホースの途中の管壁に塩分が付着するため、剥離させた塩分粒子の全量を測定ヘッドに取り込んで測定することができない。また、測定ヘッドを送風機に対して遮断するなどの手段により海塩粒子を測定ヘッドで一旦停止させるため、流れを止めた時に既に測定ヘッドを通過していたり、測定ヘッドに達していない塩分も測定ヘッドに取り込めない。このため、測定精度の悪いものとなる。したがって、特許文献1記載の塩分濃度測定法によれば、定量化・定量評価できないばかりか、SCCの発生を評価する指標としても感度の悪いものとなる。   In the salinity concentration measuring method described in Patent Document 1, the concentration measurement is performed after the salinity particles peeled off from the canister by the laser are drawn into the measuring head outside the concrete cask, so before reaching the measuring head. Since salinity adheres to the tube wall in the middle of the suction hose, the entire amount of the separated salinity particles cannot be taken into the measuring head and measured. In addition, sea salt particles are temporarily stopped at the measuring head by means such as blocking the measuring head against the blower, so even when the flow is stopped, the salt that has already passed through the measuring head or has not reached the measuring head is also measured. The head cannot be captured. For this reason, the measurement accuracy is poor. Therefore, according to the salinity concentration measuring method described in Patent Document 1, not only quantification / quantitative evaluation is possible, but also the sensitivity is poor as an index for evaluating the occurrence of SCC.

また、特許文献1記載の塩分濃度測定法は、レーザー光によるブラスト除去で金属製キャニスク表面から吹き飛ばした海塩粒子やマグネシウム、ナトリウムなどのその他の付着成分を含むプルームをコンクリートキャニスタの外の測定ヘッドに取り込んでからレーザー光を当てて反射光を計測するようにしているので、何らかの発光成分が存在することだけしか判明せず、塩素の発光強度を特定できないために、塩分の濃度が正確に測定できない。   Further, the salinity concentration measuring method described in Patent Document 1 uses a measuring head outside a concrete canister for a plume containing sea salt particles blown off from the surface of a metal canisque by laser blast removal and other adhering components such as magnesium and sodium. Since the reflected light is measured by applying a laser beam after being taken in, only the presence of some luminescent components can be found, and the luminescence intensity of chlorine cannot be specified, so the salinity concentration is accurately measured. Can not.

さらに、特許文献1記載の塩分濃度測定装置は、コンクリートキャスク内の金属製キャニスタの表面に付着する塩分を取り除くブラスト部と、海塩粒子やその他の付着成分を含むプルームを吸引してからコンクリートキャスクの外に取りだしてからレーザを照射してその反射光を測定装置に送る計測部・測定ヘッドとに分けられた大がかりで複雑な構造となるため、狭隘な空間では金属表面の直近でアブレーション直後の塩分粒子などの微量付着成分を検出することができない。   Further, the salinity concentration measuring device described in Patent Document 1 is a concrete cask after sucking a blast portion for removing salt adhering to the surface of a metal canister in a concrete cask and a plume containing sea salt particles and other adhering components. Since it has a large and complicated structure that is divided into a measurement unit and a measurement head that irradiates the laser after taking it out of the laser and sends the reflected light to the measurement device, in a narrow space immediately after the ablation Trace adhering components such as salt particles cannot be detected.

そこで本発明は、金属表面に付着している微量成分を感度良く測定できる方法及び装置を提供することを目的とする。また、本発明は、リアルタイムで計測が可能であり、かつ廃棄物が計測の過程で発生しない金属表面付着成分の濃度計測方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、対象となる金属表面で付着微量成分の測定を可能とする金属表面付着成分の濃度計測方法を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the method and apparatus which can measure the trace component adhering to the metal surface with sufficient sensitivity. Another object of the present invention is to provide a method for measuring the concentration of a component adhering to a metal surface that can be measured in real time and does not generate waste during the measurement process. Furthermore, an object of the present invention is to provide a method for measuring the concentration of a metal surface adhering component that enables measurement of the adhering trace component on the target metal surface.

かかる目的を達成するため、請求項記載の発明にかかる狭隘な空間に面している金属表面に付着している微量成分の濃度を計測する方法は、狭隘な空間の外に少なくともレーザーと分光手段と受光素子及びレーザーと受光素子を制御するコントローラを備える濃度計測装置本体を配置し、狭隘な空間に金属表面に沿って挿入される光伝送部を介して金属表面にレーザー光を照射して付着物質をアブレーションすると共にプラズマ化し、プラズマ化された物質からの発光を光伝送部を介して狭隘な空間の外の分光手段に導いて分光すると共に受光素子で発光スペクトルを得ることにより、金属表面に付着する微量成分を特定すると共に当該微量成分の濃度を求めるようにしている。 In order to achieve such an object, a method for measuring the concentration of a trace component adhering to a metal surface facing a narrow space according to the first aspect of the present invention includes at least a laser and a spectroscope in addition to the narrow space. The concentration measuring device main body having a means and a light receiving element and a controller for controlling the laser and the light receiving element is arranged, and the metal surface is irradiated with laser light through an optical transmission unit inserted along the metal surface in a narrow space. Metal surface by ablating adhering substances and turning them into plasma, and emitting light from the plasmaized substances to the spectroscopic means outside the narrow space through the light transmission part and separating the light, and obtaining a light emission spectrum with the light receiving element The trace component adhering to the surface is specified and the concentration of the trace component is obtained.

また、請求項記載の発明は、請求項記載の金属表面付着成分の濃度計測方法において、金属表面が使用済み燃料を収容する金属製キャニスタの外表面であり、狭隘な空間は金属製キャニスタを収容するコンクリートキャスクの内周面との間で形成されるものであることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the method for measuring the concentration of a component adhering to the metal surface according to claim 1, wherein the metal surface is an outer surface of a metal canister that contains spent fuel, and the narrow space is a metal canister. It is formed between the inner peripheral surface of the concrete cask which accommodates.

ここで、本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法において、金属製キャニスタの外表面に照射するレーザー光の照射部を支持する走行手段を金属製キャニスタの外表面とコンクリートキャスクの内周面との間に設け、照射部と金属製キャニスタの外表面との間隔を一定に維持することが好ましい。   Here, in the method for measuring the concentration of the metal surface adhesion component of the present invention, the traveling means for supporting the laser beam irradiation part that irradiates the outer surface of the metal canister, the outer surface of the metal canister and the inner peripheral surface of the concrete cask Preferably, the distance between the irradiation unit and the outer surface of the metal canister is kept constant.

また、本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法において、対象となる微量成分は特に限定されるものでないが、応力腐食割れの原因となる塩分であることが好ましい。そして、この塩分の検出には、837.59nmの塩素の発光線、517.26 nmのマグネシウムの発光線、518.36 nmのマグネシウムの発光線、833.31 nmの塩素の発光線のいずれかを用いることが好ましい。   In the method for measuring the concentration of a metal surface adhesion component according to the present invention, the target trace component is not particularly limited, but is preferably a salt that causes stress corrosion cracking. In order to detect the salinity, it is preferable to use any one of 837.59 nm chlorine emission line, 517.26 nm magnesium emission line, 518.36 nm magnesium emission line, and 833.31 nm chlorine emission line.

また、本発明にかかる金属表面付着成分の濃度計測方法において、パルス状のレーザー光の照射は1回でも十分であるが、複数回行われることが好ましい。パルス状のレーザー光の複数回の照射は、同じ方向から行っても良いが、場合によっては請求項記載の発明にかかるように、金属表面に向けて照射し前記金属表面に付着している微量成分をアブレーションさせる第1のステップと、前記アブレーションにより形成されたプラズマに向けて前記金属表面と平行に照射され前記第1のステップで励起されなかった粒子を励起する第2のステップとで実行するようにしても良い。さらに、複数回の照射を行う場合、請求項記載の発明にかかるように、第1のステップで照射するレーザー光は第2のステップで照射するレーザー光よりも弱く、少なくとも計測対象となる付着微量成分を金属表面からはじき出すのに十分なものであり、第2のステップで照射するレーザー光は第1のステップではじき出された付着微量成分を励起して発光させるに十分なものであることが好ましい。 Further, in the method for measuring the concentration of the component adhering to the metal surface according to the present invention, the irradiation with the pulsed laser beam is sufficient even once, but it is preferably performed a plurality of times. The multiple irradiations of the pulsed laser beam may be performed from the same direction, but in some cases, as directed to the invention according to claim 7 , the irradiation is directed toward the metal surface and adheres to the metal surface. Performed in a first step of ablating a minor component and a second step of exciting particles that were irradiated in parallel with the metal surface toward the plasma formed by the ablation and were not excited in the first step You may make it do. Furthermore, when performing multiple times of irradiation, the laser beam irradiated in the first step is weaker than the laser beam irradiated in the second step, and at least the adhesion to be measured, as in the invention according to claim 8. It is sufficient to eject the trace component from the metal surface, and the laser light irradiated in the second step is sufficient to excite the attached trace component ejected in the first step to emit light. preferable.

また、請求項記載の発明は、請求項1からのいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測方法において、計測対象となる付着微量成分を示す発光線の発光強度の酸素の発光線の発光強度に対する比と付着微量成分濃度との相関関係を求め、計測時の付着微量成分の発光強度の酸素の発光線の発光強度に対する比から付着微量成分濃度を求めることを特徴とする。 The invention according to claim 9 is the method for measuring a concentration of a component adhering to a metal surface according to any one of claims 1 to 8 , wherein the oxygen emission intensity of the emission line indicating the trace component adhering to be measured is measured. The correlation between the ratio of the emission line to the emission intensity and the concentration of the adhering trace component is obtained, and the concentration of the attached trace element is obtained from the ratio of the emission intensity of the attached trace element to the emission intensity of the oxygen emission line at the time of measurement. .

また、請求項10記載の発明は、請求項1からのいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測方法において、プラズマ化された物質からの発光の計測とその直前のレーザー光の照射との間に1μs〜10μsの時間差を与えることを特徴とするものである。 The invention described in claim 10 is the method for measuring the concentration of a component adhering to a metal surface according to any one of claims 1 to 9 , wherein the measurement of light emission from a plasma substance and the laser beam immediately before that are measured. A time difference of 1 μs to 10 μs is given between irradiation and irradiation.

また、請求項11記載の発明は、請求項から10のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測方法において、第1のステップで照射するレーザー光と第2のステップで照射するレーザー光との間に0.5μs〜5μsの時間差を与えることを特徴とするものである。 The invention according to claim 11 is the method for measuring the concentration of a metal surface adhering component according to any one of claims 7 to 10 , wherein the laser beam is irradiated in the first step and the laser beam is irradiated in the second step. A time difference of 0.5 μs to 5 μs is given to the laser beam.

また、本発明にかかる狭隘な空間に面している金属表面に付着している微量成分の濃度を計測する装置は、少なくともレーザーと分光手段と受光素子及びレーザーと受光素子を制御するコントローラを備え狭隘な空間の外に配置される濃度計測装置本体と、レーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とを含み狭隘な空間に金属表面に沿って挿入される光伝送部とを備え、光伝送部を介して金属表面にレーザー光を照射して付着物質をアブレーションすると共にプラズマ化し、プラズマ化された物質からの発光を光伝送部を介して狭隘な空間の外の分光手段に導いて分光すると共に受光素子で発光スペクトルを得ることにより、金属表面に付着する微量成分特定する共に当該微量成分の濃度を求めるようにしている。 An apparatus for measuring the concentration of a trace component adhering to a metal surface facing a narrow space according to the present invention includes at least a laser, a spectroscopic means, a light receiving element, and a controller for controlling the laser and the light receiving element. A concentration measuring device main body arranged outside a narrow space, and an optical transmission unit inserted along a metal surface into a narrow space including an optical system for laser light transmission and an optical system for light emission measurement The laser beam is irradiated to the metal surface through the optical transmission unit to ablate the adhering substance and turn it into plasma, and the light emitted from the plasmaized substance is guided to the spectroscopic means outside the narrow space through the optical transmission unit. by obtaining an emission spectrum at the light receiving element as well as spectral Te, so that both the identifying trace components to be attached to the metal surface to determine the concentration of the minor component.

また、請求項13記載の発明は、請求項12記載の金属表面付着成分の濃度計測装置において、金属表面が使用済み燃料を収容する金属製キャニスタの外表面であり、狭隘な空間は金属製キャニスタを収容するコンクリートキャスクの内周面との間で形成されるものとしている。 The invention according to claim 13 is the concentration measuring device for metal surface adhering component according to claim 12, wherein the metal surface is an outer surface of a metal canister for storing spent fuel, and the narrow space is a metal canister. It is assumed to be formed between the inner peripheral surface of the concrete cask that houses

また、請求項14記載の発明は、請求項13記載の金属表面付着成分の濃度計測装置において、金属製キャニスタの外表面とコンクリートキャスクの内周面との間に設けられ、レーザー光伝送用の光学系の照射部を支持すると共に、照射部と金属製キャニスタの外表面との間隔を一定に維持する走行手段を備えるものである。 The invention according to claim 14 is the apparatus for measuring the concentration of a metal surface adhering component according to claim 13, which is provided between the outer surface of the metal canister and the inner peripheral surface of the concrete cask and is used for laser light transmission. The optical system includes a traveling unit that supports the irradiation unit and maintains a constant distance between the irradiation unit and the outer surface of the metal canister.

また、請求項15記載の発明は、請求項12から14のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測装置において、レーザは被検査金属表面にレーザー光を照射して付着物質をアブレーションする第1のレーザーと、第1のレーザー光でアブレーションされた物質にレーザー光を照射してプラズマ化する第2のレーザーとから成り、コントローラは第1レーザー、第2レーザー及び受光素子のゲート開放開始時間との間の時間差を制御するものである。 The invention according to claim 15 is the metal surface adhering component concentration measuring device according to any one of claims 12 to 14 , wherein the laser ablate the adhering substance by irradiating the inspected metal surface with laser light. And a second laser that irradiates the material ablated with the first laser light to form plasma by irradiating the laser light, and the controller opens the gates of the first laser, the second laser, and the light receiving element. It controls the time difference from the start time.

また、請求項16記載の発明は、請求項12から14のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測装置において、光伝送部は中空管であり、レーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とを内蔵すると共に金属表面に対向する先端開口部に金属表面と密着するシール部材が具備されており、レーザー照射時に、シール部材と金属表面とが密着することで、照射点を固定すると同時に中空管内を減圧可能とするものであることが好ましい。 The invention according to claim 16 is the concentration measuring apparatus for a metal surface adhesion component according to any one of claims 12 to 14 , wherein the light transmission part is a hollow tube, and an optical system for laser light transmission. And a light emitting measurement optical system and a seal member that is in close contact with the metal surface is provided at the tip opening facing the metal surface, and when the laser irradiation, the seal member and the metal surface are in close contact, It is preferable that the inside of the hollow tube can be depressurized while fixing the irradiation point.

また、請求項17記載の発明は、請求項16に記載の金属表面付着成分の濃度計測装置において、レーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とは、光ファイバであり、各光ファイバの先端面が金属表面と対向するように配置されているものである。 Further, the invention according to claim 17 is the metal surface adhesion component concentration measuring apparatus according to claim 16 , wherein the optical system for laser light transmission and the optical system for light emission measurement are optical fibers, and each light The fiber is arranged so that the tip surface of the fiber faces the metal surface.

また、請求項18記載の発明は、請求項16記載の金属表面付着成分の濃度計測装置において、中空管には、集光用レンズと、レーザー光の波長のみを反射しレーザー光を金属表面に照射する波長選択型ミラーとを有するレーザー光伝送用の光学系と、金属表面に付着する微量成分のアブレーションにより生じたプラズマ発光を波長選択型ミラーの背後に配置され波長選択型ミラーを透過したプラズマ発光を反射させる波長に依存しない反射ミラーを備える発光計測用の光学系とを備え、中空管内をレーザー光とプラズマの発光とが伝搬されるようにしている。 Further, the invention according to claim 18 is the concentration measuring apparatus for a metal surface adhering component according to claim 16, wherein the hollow tube has a condensing lens and reflects only the wavelength of the laser beam, and the laser beam is reflected on the metal surface. The optical system for laser beam transmission, which has a wavelength-selective mirror that irradiates the light source, and the plasma emission generated by ablation of a trace component adhering to the metal surface is placed behind the wavelength-selective mirror and transmitted through the wavelength-selective mirror And an optical system for light emission measurement having a reflection mirror that does not depend on the wavelength for reflecting the plasma emission, so that laser light and plasma emission are propagated in the hollow tube.

また、請求項19記載の発明は、請求項12から14のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測装置において、光伝送部は、レーザー光伝送用の光ファイバと、発光計測用の光ファイバとから成り、各光ファイバの先端面が金属表面と対向するように配置されているものである。 The invention according to claim 19 is the concentration measurement apparatus for a metal surface adhering component according to any one of claims 12 to 14 , wherein the light transmission section includes an optical fiber for laser light transmission and a light emission measurement device. These optical fibers are arranged so that the tip surface of each optical fiber faces the metal surface.

また、請求項20記載の発明は、請求項12から19のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測装置において、受光素子のゲート開放開始とその直前のレーザー光の照射との間に1μs〜10μsの時間差を与えるものである。 According to a twentieth aspect of the present invention, there is provided the metal surface adhering component concentration measuring apparatus according to any one of the twelfth to nineteenth aspects, between the start of opening the gate of the light receiving element and the laser beam irradiation just before the gate opening. Is given a time difference of 1 μs to 10 μs.

さらに、請求項21記載の発明は、請求項12から20のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測装置において、第1のステップで照射するレーザー光と第2のステップで照射するレーザー光との間に0.5μs〜5μsの時間差を与えるものである。 Furthermore, the invention according to claim 21 is the metal surface adhesion component concentration measuring device according to any one of claims 12 to 20 , wherein the laser light is irradiated in the first step and the second step is irradiated. A time difference of 0.5 μs to 5 μs is given to the laser beam.

本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法及び装置によれば、金属表面の付着物質をパルス状のレーザー光の照射によりアブレーションしてプラズマ化された物質からの発光を計測し、分光することにより波長毎の発光強度を求めるようにしているので、付着物質濃度を各々の評価などに十分利用できる感度で計測できる。即ち、付着物質が存在するか否かの判断ができる。具体的には、本発明者等による実験では、表面塩分濃度0.1 g/m程度の塩素に対する測定感度があることを確認された。この測定感度は応力腐食割れの影響を評価するには十分な感度である。しかも、レーザー光を照射する金属表面の付近でのプラズマ発光を直接計測するため、計測部の構造を小さくすることが可能であることから、狭隘な空間例えばコンクリートキャスクに収容された金属製キャニスタの表面に付着する塩分の測定に適用することができる。勿論、金属キャスクのような、開放された金属表面の付着微量成分を測定することもできる。 According to the method and apparatus for measuring the concentration of a metal surface adhering component of the present invention, the material adhering to the metal surface is ablated by irradiating a pulsed laser beam to measure the light emitted from the material that has been converted into plasma, and then performing spectroscopic analysis. Since the emission intensity for each wavelength is obtained, the concentration of the adhered substance can be measured with a sensitivity that can be sufficiently utilized for each evaluation. That is, it can be determined whether or not there is an attached substance. Specifically, in the experiments by the present inventors, it was confirmed that there was a measurement sensitivity for chlorine having a surface salinity of about 0.1 g / m 2 . This measurement sensitivity is sufficient to evaluate the influence of stress corrosion cracking. In addition, since the plasma emission near the metal surface irradiated with laser light is directly measured, the structure of the measurement unit can be reduced, so that a metal canister housed in a confined space such as a concrete cask can be used. It can be applied to the measurement of salinity adhering to the surface. Of course, it is also possible to measure the trace components attached to the open metal surface, such as a metal cask.

また、遠隔かつリアルタイムでの測定が可能であるため、使用済み燃料を保存するために用いるコンクリートキャスク内の金属製キャニスタの表面に付着する塩分の測定に用いる場合には、作業員が被爆する危険性もなく、またスニア法では問題となっている新たに発生する放射性廃棄物(塩をふき取った布)もなくなる。さらに少量の付着塩分であっても、アブレーションに伴い発生するプラズマ発光を計測し分光することにより、濃度に比例した発光強度を得るため、塩分の濃度が正確に測定できる。したがって、SCCの発生を評価する指標としても感度の良いものとなるばかりか、定量化・定量評価が可能となる。   In addition, because remote and real-time measurement is possible, there is a danger of workers being exposed to exposure when measuring the amount of salt attached to the surface of a metal canister in a concrete cask used to store spent fuel. And the newly generated radioactive waste (cloth wiped with salt), which is a problem in the Snia method, will disappear. Even with a small amount of adhering salt, the plasma emission generated with ablation is measured and dispersed to obtain emission intensity proportional to the concentration, so that the concentration of salt can be measured accurately. Therefore, the index for evaluating the occurrence of SCC is not only sensitive, but also enables quantification and quantitative evaluation.

また、狭隘な空間に面している金属表面に付着している微量成分の濃度を計測する本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法及び装置によれば、狭隘な空間の外に濃度計測装置本体を配置し、狭隘な空間に金属表面に沿って挿入される光伝送部を介して金属表面にレーザー光を照射して付着物質をアブレーションすると共にプラズマ化し、プラズマ化された物質からの発光を光伝送部を介して狭隘な空間の外の分光手段に導いて分光すると共に受光素子で発光スペクトルを得るようにしているので、狭隘な空間での金属表面の直近でアブレーション直後の塩分粒子などの微量付着成分の濃度を求めることができる。したがって、コンクリートキャスク内に収容された金属製キャニスタの外面に付着する塩分濃度を測定することができる。   Further, according to the concentration measuring method and apparatus for the metal surface adhering component of the present invention for measuring the concentration of the trace component adhering to the metal surface facing the narrow space, the concentration measuring device is provided outside the narrow space. The main body is placed, and the metal surface is irradiated with laser light through an optical transmission part inserted along the metal surface in a narrow space to ablate the adhering substance and turn it into plasma, and emit light from the plasmaized substance. Since it is guided to the spectral means outside the narrow space through the optical transmission unit and splits the spectrum, the emission spectrum is obtained with the light receiving element, so that the salt particles immediately after ablation, etc. The concentration of the trace amount adhering component can be obtained. Therefore, the salinity concentration adhering to the outer surface of the metal canister accommodated in the concrete cask can be measured.

また、塩分の検出において、837.59nmの塩素の発光線、517.26 nmのマグネシウムの発光線、518.36 nmのマグネシウムの発光線、833.31 nmの塩素の発光線のいずれかを用いる場合、塩素やマグネシウムに対する感度、濃度が得られる。   In addition, in the detection of salinity, when using one of the 837.59 nm chlorine emission line, 517.26 nm magnesium emission line, 518.36 nm magnesium emission line, and 833.31 nm chlorine emission line, the sensitivity to chlorine and magnesium Concentration is obtained.

また、パルス状のレーザー光の照射を複数回行う場合には、アブレーションさせた元素の発光を漏れなく計測することができるので、測定感度が向上する。つまり、アブレーションにより励起された粒子を2回目のレーザー光による再加熱または再励起を効果的に行って励起原子の発光寿命を延ばすと共に、1回目のアブレーションでプラズマ化せずに金属表面からはじき出された付着成分の粒子も励起されるので、より低いパワーで材料への損傷を抑えながらもアブレーション効率を上げてプラズマを生成し測定感度を良くすることができる。しかも、一回目のレーザーパルスのエネルギーを低く出来るため、キャニスタ表面におけるレーザー光による損傷を低減することができる。   In addition, when the pulsed laser light irradiation is performed a plurality of times, the emission of the ablated element can be measured without omission, so that the measurement sensitivity is improved. In other words, the particles excited by ablation are effectively reheated or reexcited by the second laser beam to extend the emission lifetime of the excited atoms and are ejected from the metal surface without being converted to plasma by the first ablation. Since the particles of the attached components are also excited, it is possible to increase the ablation efficiency and improve the measurement sensitivity while suppressing damage to the material with lower power. In addition, since the energy of the first laser pulse can be reduced, damage due to laser light on the canister surface can be reduced.

特に、パルス状のレーザー光の照射を、金属表面に向けて照射し金属表面に付着している微量成分をアブレーションさせる第1のステップと、アブレーションにより形成されたプラズマに向けて金属表面と平行に照射され第1のステップで励起されなかった粒子を励起する第2のステップとで行う場合には、アブレーションにより原子化された雰囲気(プラズマプルーム)にさらにレーザー光を照射してアブレーションされた物質を再加熱または再励起することにより、励起原子の発光寿命を延ばして発光ピークを顕著にできる。しかも、プラズマプルームを再加熱または再励起するため、エアプラズマによりはじき出された粒子も励起されるため、アブレーション効率が上がり、発光強度が向上する。このため、付着物質濃度と発光強度との間に濃度の評価に十分利用できる感度で計測できる。加えて、第1のステップのレーザーパルスのエネルギを低くできるため、キャニスタ表面におけるレーザー光による損傷を低減させることができる。   In particular, the first step of irradiating a pulsed laser beam toward the metal surface to ablate the trace components adhering to the metal surface, and parallel to the metal surface toward the plasma formed by ablation In the second step of exciting particles that have been irradiated and not excited in the first step, the ablated material is further irradiated with laser light into the atmosphere (plasma plume) atomized by ablation. By reheating or reexcitation, the emission lifetime of the excited atom can be extended and the emission peak can be made remarkable. Moreover, since the plasma plume is reheated or reexcited, the particles ejected by the air plasma are also excited, increasing the ablation efficiency and improving the emission intensity. For this reason, it can measure with the sensitivity which can be fully utilized for evaluation of a density | concentration between adhesion substance density | concentration and emitted light intensity. In addition, since the energy of the laser pulse in the first step can be lowered, damage due to the laser beam on the canister surface can be reduced.

さらに、第1のステップで照射するレーザー光を第2のステップで照射するレーザー光よりも弱く、少なくとも計測対象となる付着微量成分を金属表面からはじき出すのに十分なものであり、第2のステップで照射するレーザー光は第1のステップではじき出された付着微量成分を励起して発光させるに十分なものとする場合には、キャニスタ表面におけるレーザー光による損傷を最小限に抑制しながら測定感度を上げることができる。   Furthermore, the laser beam irradiated in the first step is weaker than the laser beam irradiated in the second step, and is sufficient to eject at least the attached trace component to be measured from the metal surface. If the laser light emitted in step 1 is sufficient to excite the attached trace components ejected in the first step and emit light, the measurement sensitivity can be improved while minimizing damage from the laser light on the canister surface. Can be raised.

さらに、計測対象となる付着微量成分を示す発光線の発光強度の酸素の発光線の発光強度に対する比と付着微量成分濃度との相関関係を求め、計測時の付着微量成分の発光強度の酸素の発光線の発光強度に対する比から付着微量成分濃度を求める場合には、グラフの線形性が向上するため、付着微量成分の測定の指標として選択した元素と付着微量成分の付着濃度との相関がより精度良く求められるので、濃度の定量化が精度の良いものとなる。   Furthermore, the correlation between the ratio of the emission intensity of the emission line indicating the attached trace component to be measured to the emission intensity of the emission line of oxygen to the emission intensity of the emission trace element was determined, and the emission intensity of the attached trace component at the time of measurement was determined. When determining the concentration of adhering trace components from the ratio to the emission intensity of the emission line, the linearity of the graph is improved, so there is more correlation between the element selected as an indicator for the measurement of adhering trace components and the concentration of adhering trace components. Since it is required with high accuracy, quantification of the concentration becomes high accuracy.

また、本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法において、プラズマ化された物質からの発光の計測とその直前のレーザー光の照射との間に1μs〜10μsの時間差を与えることにより、白色ノイズの影響を排除し発光ピークが顕著となったタイミングで受光素子で受光して発光スペクトルを得ることできるので測定感度を上げることができる。金属表面の付着微量成分をアブレーションする場合、レーザーのピークパワーが小さいことから白色ノイズは弱いが、この場合においても、受光素子のゲート開始時間が早ければ、白色光ノイズが輝線強度に比べて強いので、計測できず、遅いと輝線強度が減衰してしまって感度が出ない。そこで、この場合における、受光素子のゲート開放開始とその直前のレーザー光の照射との時間差は、ダブルパルスによる場合と同様に、1μs〜10μsの範囲に調整されることが好ましい。   Further, in the method for measuring the concentration of the component adhering to the metal surface of the present invention, by giving a time difference of 1 μs to 10 μs between the measurement of light emission from the plasma substance and the irradiation of the laser beam immediately before the measurement, Since the emission spectrum can be obtained by receiving the light at the light receiving element at the timing when the emission peak becomes remarkable with the influence removed, the measurement sensitivity can be increased. When ablating a trace amount of components on the metal surface, the white noise is weak because the peak power of the laser is small, but even in this case, if the light receiving element gate start time is early, the white light noise is stronger than the emission line intensity. Therefore, measurement is impossible, and if it is slow, the intensity of the bright line is attenuated and sensitivity is not obtained. Therefore, in this case, the time difference between the start of opening the gate of the light receiving element and the irradiation of the laser beam immediately before it is preferably adjusted to a range of 1 μs to 10 μs as in the case of the double pulse.

また、本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法において、第1のステップで照射するレーザー光と前記第2のステップで照射するレーザー光との間に0.5μs〜5μsの時間差を与えることにより、追加加熱の効果が得られると共に励起された粒子が飛散する前に十分な追加加熱を与えることができる。   In the method for measuring a concentration of a metal surface adhesion component according to the present invention, by giving a time difference of 0.5 μs to 5 μs between the laser beam irradiated in the first step and the laser beam irradiated in the second step. The effect of additional heating can be obtained, and sufficient additional heating can be applied before the excited particles are scattered.

また、本発明の金属表面付着成分の濃度計測装置において、レーザー光伝送用光学系と発光計測用光学系とを内蔵し先端開口部が金属表面に固定される密封可能な中空管で光伝送部を構成する場合、レーザー照射時に、シール部材と金属表面とが密着することで、照射部を固定して安定化すると同時に中空管内を減圧可能とすることから、真空化により空気のプラズマ化を抑制できるので、付着微量成分からのプラズマのみが発生し、計測精度が向上する。   Further, in the concentration measuring apparatus for a metal surface adhesion component according to the present invention, the optical transmission is performed by a sealable hollow tube having a built-in optical system for laser light transmission and an optical system for light emission measurement, and a tip opening fixed to the metal surface. When the laser beam is irradiated, the sealing member and the metal surface are in close contact with each other, so that the irradiated portion can be fixed and stabilized, and at the same time, the inside of the hollow tube can be decompressed. Since it can suppress, only the plasma from an adhesion trace component is generated, and measurement accuracy improves.

さらに、密封可能な中空管で構成される光伝送部のレーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とを光ファイバで構成する場合には、レーザー光とプラズマの発光との伝搬を実現しながら、狭隘な空間内での光伝送部の移動に制約を受けることが少ない。このことは、集光用レンズやミラーなどの光学系を組みこむ請求項18の発明においても同様である。また、光ファイバ若しくは照射部にのみ光学部品を用いることにより、光伝送部及び照射部を小型にすることができ、狭隘部での測定が可能になる。 Furthermore, in the case where the optical system for laser light transmission and the optical system for light emission measurement of the optical transmission unit composed of a sealable hollow tube are composed of optical fibers, the propagation of laser light and plasma light emission However, there are few restrictions on the movement of the optical transmission unit in a narrow space. The same applies to the invention of claim 18 in which an optical system such as a condensing lens or a mirror is incorporated. In addition, by using optical components only in the optical fiber or the irradiating unit, the optical transmission unit and the irradiating unit can be reduced in size, and measurement in a narrow part becomes possible.

また、本発明の金属表面付着成分の濃度計測装置において、光伝送部を剥き出しのレーザー光伝送用光ファイバと発光計測用光ファイバとで構成する場合には、より狭隘な空間での金属表面の付着微量成分の検出と濃度測定を実施可能とすることができる。   Further, in the concentration measuring apparatus for the metal surface adhesion component of the present invention, when the light transmission part is composed of a bare laser light transmission optical fiber and a light emission measurement optical fiber, the metal surface in a narrower space can be measured. Detection of adhering trace components and concentration measurement can be performed.

また、本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法および装置において、金属製キャニスタの外表面とコンクリートキャスクの内周面との間にレーザー光伝送用の光学系の照射部を支持する走行手段を設けた場合には、照射部を移動させても金属製キャニスタの外表面との間隔を一定に維持することができるので、照射部の揺れを防止することができる。そのため、照射部と金属製キャニスタの外表面との距離が変化してレーザー光の焦点と金属製キャニスタの外表面との位置関係が当該外表面の垂直方向にずれたり、レーザー光の照射方向がずれてしまうのを防止することができ、別の位置の計測においてもアブレーションを良好に行うことができる。   Further, in the method and apparatus for measuring the concentration of a metal surface adhering component of the present invention, traveling means for supporting an irradiation part of an optical system for laser light transmission between the outer surface of the metal canister and the inner peripheral surface of the concrete cask. In the case where it is provided, since the distance from the outer surface of the metal canister can be kept constant even if the irradiation unit is moved, the irradiation unit can be prevented from shaking. For this reason, the distance between the irradiation part and the outer surface of the metal canister changes, and the positional relationship between the focal point of the laser beam and the outer surface of the metal canister shifts in the vertical direction of the outer surface, or the irradiation direction of the laser beam changes. The shift can be prevented, and ablation can be satisfactorily performed even when measuring at another position.

本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法を実施する計測システムをコンクリートキャスクの中の金属製キャニスタの表面に付着する塩分の濃度を計測する態様に適用する場合の概念図を示す。The conceptual diagram at the time of applying the measuring system which implements the density | concentration measuring method of the metal surface adhesion component of this invention to the aspect which measures the density | concentration of the salt which adheres to the surface of the metal canister in a concrete cask is shown. 光伝送部の第1の実施形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows 1st Embodiment of an optical transmission part. 光伝送部の第2の実施形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows 2nd Embodiment of an optical transmission part. 本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法の効果を確認するための実験装置の一例を示す原理図である。It is a principle figure which shows an example of the experimental apparatus for confirming the effect of the density | concentration measuring method of the metal surface adhesion component of this invention. SUS304L(濃度 0.1 g/m2)と照射箇所の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of SUS304L (concentration 0.1 g / m < 2 >) and an irradiation location. 照射後のSUS316Lの表面状態を示す光学顕微鏡写真である。It is an optical microscope photograph which shows the surface state of SUS316L after irradiation. 照射後のSUS316Lの表面状態(濃度 0.1 g/m2)を示す電子顕微鏡写真である。3 is an electron micrograph showing the surface state (concentration: 0.1 g / m 2 ) of SUS316L after irradiation. 各元素に起因する発光強度の評価例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of evaluation of the emitted light intensity resulting from each element. シングルパルスでのレーザー照射方法を示す原理図(左図)と、レーザー光及びICCDの時間的関係を示す説明図(右図)である。FIG. 2 is a principle diagram (left diagram) showing a laser irradiation method with a single pulse and an explanatory diagram (right diagram) showing a temporal relationship between laser light and ICCD. シングルパルス計測時の発光スペクトル(495〜525nm)を示すグラフである。It is a graph which shows the emission spectrum (495-525 nm) at the time of a single pulse measurement. シングルパルス計測時の発光スペクトル(830〜850nm)を示すグラフである。It is a graph which shows the emission spectrum (830-850 nm) at the time of a single pulse measurement. シングルパルスにおける発光スペクトルの表面塩分濃度依存性(495〜525nm)を示すグラフである。It is a graph which shows the surface salt concentration dependence (495-525 nm) of the emission spectrum in a single pulse. シングルパルスにおける発光スペクトルの表面塩分濃度依存性(830〜850nm)を示すグラフである。It is a graph which shows the surface salt concentration dependence (830-850 nm) of the emission spectrum in a single pulse. シングルパルス計測時のClの発光強度の表面塩分濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the surface salt concentration dependence of the emitted light intensity of Cl at the time of single pulse measurement. シングルパルス計測時のMgの発光強度の表面塩分濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the surface salt concentration dependence of the emitted light intensity of Mg at the time of a single pulse measurement. シングルパルス計測時のCrの発光強度の表面塩分濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the surface salt concentration dependence of the emitted light intensity of Cr at the time of single pulse measurement. ダブルパルスでのレーザー照射方法を示す原理図(左図)と、レーザー光及びICCDの時間的関係を示す説明図(右図)である。FIG. 2 is a principle diagram (left diagram) showing a laser irradiation method with a double pulse, and an explanatory diagram (right diagram) showing a temporal relationship between laser light and ICCD. ダブルパルス計測時の発光スペクトル(495〜525nm)を示すグラフである。It is a graph which shows the emission spectrum (495-525 nm) at the time of double pulse measurement. ダブルパルス計測時の発光スペクトル(830〜850nm)を示すグラフである。It is a graph which shows the emission spectrum (830-850 nm) at the time of double pulse measurement. ダブルパルスにおける発光スペクトルの表面塩分濃度依存性(495〜525nm)を示すグラフである。It is a graph which shows the surface salt concentration dependence (495-525 nm) of the emission spectrum in a double pulse. ダブルパルスにおける発光スペクトルの表面塩分濃度依存性(830〜850nm)を示すグラフである。It is a graph which shows the surface salt concentration dependence (830-850nm) of the emission spectrum in a double pulse. ダブルパルス計測時のClの発光強度の表面塩分濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the surface salinity concentration dependence of the emitted light intensity of Cl at the time of double pulse measurement. ダブルパルス計測時のMgの発光強度の表面塩分濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the surface salt concentration dependence of the emitted light intensity of Mg at the time of double pulse measurement. ダブルパルス計測時のCrの発光強度の表面塩分濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the surface salt concentration dependence of the emitted light intensity of Cr at the time of double pulse measurement. ダブルパルス計測時のClの発光強度の酸素の発光強度に対する比と表面塩分濃度との相関性を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation with the ratio of the light emission intensity of Cl with respect to the light emission intensity of oxygen at the time of double pulse measurement, and surface salinity concentration. アブレーションの様相を示す図で、左図はシングルパルスの場合、右図はダブルパルスの場合を示す。A diagram showing the ablation mode. The left figure shows the case of a single pulse, and the right figure shows the case of a double pulse. レーザーによりはじき出された粒子数と発光強度の濃度依存性を示すグラフであり、上図はレーザーによりはじき出された粒子の総量と表面塩分濃度との関係を示し、下図は発光強度と表面塩分濃度との関係を示す。The graph shows the concentration dependence of the number of particles ejected by the laser and the emission intensity, the upper figure shows the relationship between the total amount of particles ejected by the laser and the surface salinity, and the lower figure shows the emission intensity and the surface salinity concentration. The relationship is shown. 本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法を実施する計測システムをコンクリートキャスクの中の金属製キャニスタの表面に付着する塩分の濃度を計測する態様に適用する場合の他の実施形態を示す概念図である。The conceptual diagram which shows other embodiment at the time of applying the measuring system which implements the density | concentration measuring method of the metal surface adhesion component of this invention to the aspect which measures the density | concentration of the salt which adheres to the surface of the metal canister in a concrete cask. It is. 走行手段を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows a traveling means. 共線照射方式によるレーザー光および発光の伝送を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating transmission of the laser beam and light emission by a collinear irradiation system. バンドルファイバの先端を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the front-end | tip of a bundle fiber. 垂直−水平照射方式によるレーザー光および発光の伝送を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating transmission of the laser beam and light emission by a vertical-horizontal irradiation system. 第2のレーザー光を伝送する光ファイバの先端を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the front-end | tip of the optical fiber which transmits a 2nd laser beam.

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.

本発明にかかる金属表面付着成分の濃度計測方法は、金属表面に付着している微量成分例えば塩分などの濃度を測定するものであって、検査対象である金属表面にパルス状のレーザー光を照射して付着物質をアブレーションし、その後アブレーションによりプラズマ化された物質からの発光を計測し、分光することにより、金属表面に付着する微量成分を特定しその濃度を求めるようにするものである。   The method for measuring the concentration of a component adhering to a metal surface according to the present invention measures the concentration of a trace component adhering to the metal surface, such as salt, and irradiates the metal surface to be inspected with a pulsed laser beam. Then, the adhering substance is ablated, and then light emission from the substance converted into plasma by ablation is measured and analyzed to identify a trace component adhering to the metal surface and obtain its concentration.

本発明の金属表面付着成分の濃度計測方法並びに装置の概念を、図4に示す実験装置を引用して説明する。図4は、金属表面付着成分の濃度計測方法を実施するダブルパルス方式の計測システムの概念図である。この付着物質計測システムは、被検査金属6の表面にレーザー光11を照射して付着物質をアブレーションする第1のレーザー(アブレーション用レーザー)1と、第1のレーザー光11でアブレーションされた物質の雰囲気(アブレーションプルーム)19に第2のレーザー光12を照射してプラズマ化を促進する第2のレーザー2と、プラズマ化された物質からの発光13を波長毎に分解する分光器4と、該分光器4を経て分光されたプラズマ化された物質からの発光13を制御された時間差をもって受光し発光スペクトルを得るゲート機能を有する受光素子5と、第1レーザー1、第2レーザー2及び受光素子5のゲート開放開始時間との間の時間差を制御するコントローラ3並びに受光素子5からの電気信号を取り込み、保存し、必要に応じて積算し、解析するコンピュータ18とを備え、発光スペクトルのピークの周波数から励起原子を特定し、そのピーク高さから付着物質濃度を測定するようにしたものである。分光器4は、取り込んだ光をスペクトルに分解し、更に受光素子5を用いてスペクトル強度分布(波長依存性を有する発光強度の分布)を測定する。   The concept of the concentration measuring method and apparatus for the metal surface adhesion component of the present invention will be described with reference to the experimental apparatus shown in FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram of a double-pulse measurement system that implements a method for measuring the concentration of a metal surface adhesion component. This adhering substance measuring system includes a first laser (ablation laser) 1 for ablating an adhering substance by irradiating the surface of a metal 6 to be inspected with a laser beam 11, and a substance ablated with the first laser light 11. A second laser 2 that irradiates the atmosphere (ablation plume) 19 with the second laser light 12 to promote plasma formation; a spectroscope 4 that decomposes light emission 13 from the plasma-converted substance for each wavelength; A light receiving element 5 having a gate function for obtaining light emission spectrum by receiving light emission 13 from a plasma substance dispersed through a spectroscope 4 with a controlled time difference, a first laser 1, a second laser 2, and a light receiving element. The electric signals from the controller 3 and the light receiving element 5 that control the time difference between the gate opening start time of 5 and the light receiving element 5 are captured, stored, and necessary. Integrating in response to, and a analysis computer 18 identifies the excited atoms from the frequency of the peak of the emission spectrum, it is obtained so as to measure the adhering substance concentration from the peak height. The spectroscope 4 decomposes the captured light into a spectrum, and further measures a spectral intensity distribution (a distribution of emission intensity having wavelength dependency) using the light receiving element 5.

第1及び第2のレーザとしては、金属表面にレーザー光11,12を照射して付着物質をアブレーションすると共にプラズマ化するに十分なピークパワーのレーザー、例えばNd:YAGレーザ、ファイバーレーザー、チタンサファイアレーザー、ガラスレーザー、COレーザ、エキシマレーザ等といったパルスレーザーの類が用いられる。つまり、パルスレーザーであれば、ナノ秒レーザーでも、超短パルスレーザーでも実施可能である。そして、コントローラ3によって第1のレーザー1のトリガ信号に対する第2のレーザー2のQスイッチの遅延時間が設定されることにより、第1のレーザー光11に対し第2のレーザー光12が所定の時間差(遅れ時間)をもって生成される。また、第1のレーザー1と第2のレーザー2とは同じ種類のレーザーでも良いし、異なるレーザーでも良い。 As the first and second lasers, laser beams 11 and 12 are irradiated on the metal surface to ablate the adhering substance and have a peak power sufficient to make it plasma, for example, Nd: YAG laser, fiber laser, titanium sapphire A kind of pulsed laser such as laser, glass laser, CO 2 laser, excimer laser or the like is used. That is, if it is a pulse laser, a nanosecond laser or an ultrashort pulse laser can be used. Then, the controller 3 sets the delay time of the Q switch of the second laser 2 with respect to the trigger signal of the first laser 1, so that the second laser beam 12 differs from the first laser beam 11 by a predetermined time difference. It is generated with (delay time). Further, the first laser 1 and the second laser 2 may be the same type of laser or different lasers.

ここで、金属表面の付着物質をアブレーションするレーザー(アブレーション用レーザー)としての条件は、少なくとも以下の二つの照射条件のどちらかを満たしていることが望まれる。
1.パルス幅が1〜20 ナノ秒でかつフルエンス4〜12J/cm
2.パルス幅が1 ピコ秒以下でかつエネルギーフルエンスが1J/cm以下
である。尚、パルス幅は、超短パルスとナノ秒パルスとで異なるので、エネルギーフルエンスの条件が変化する。したがって、ピークパワーの単位(W/cm)で記載すれば、超短パルス(パルス幅1psec以下)の場合、1012W/cm以下、ナノ秒パルス(パルス幅10nsec)の場合6×10〜2×10W/cm以下となる。
1つ目の条件は、レーザー強度が低い時の条件であり、レーザーアブレーションのためのレーザ出力並びに照射時間は、比較的低いエネルギーフルエンス(W/cm)でパルス状に照射することが好ましい。具体的には、本発明者等の実験によれば、4〜12J/cmの範囲で計測を行った結果、同範囲で計測可能であり、12J/cmでは十分計測が可能なことを確認し、0.4J/cmで計測ができていないことを確認した。また、フルエンスの上限については、実験による確認をしていないが、100J/cmで検査対象となる金属表面に影響を与えず測定に支障を来さないものと推測される。したがって、フルエンス4〜100J/cmの範囲で可能である。1つ目のパルス幅の条件は、一般的なナノ秒レーザー(Nd:YAGやエキシマレーザーなど)の仕様の範囲である。つまり、ナノ秒レーザーを使って上記のフルエンスの範囲で照射すれば計測可能であることが判明した。
また、2つ目の条件は、超短パルスレーザーを用いる場合の条件であり、1J/cm以下、より好ましくは1J/cmよりも十分に小さいことである。この超短パルスを用いる場合のエネルギーフルエンスは、引張残留応力が減っていく条件(ピーニング条件)を満たし、レーザー照射により引張残留応力が増加しないものである。つまり、本発明者等によって、ピーニング条件でのレーザー光の照射は、金属材料に応力腐食割れを誘起せずに付着微量成分をアブレーションすることができるものであることの知見を得た。
尚、上述のレーザーの条件は、付着した微量成分の分析に関しては、ほとんど変わらないものである。また、キャニスタの温度(最高100℃程度)でもほとんど精度に影響が出ないものである。
Here, it is desirable that the conditions as a laser (ablation laser) for ablating the adhered substance on the metal surface satisfy at least one of the following two irradiation conditions.
1. Pulse width 1-20 nanoseconds and fluence 4-12 J / cm 2
2. The pulse width is 1 picosecond or less and the energy fluence is 1 J / cm 2 or less. Since the pulse width differs between the ultrashort pulse and the nanosecond pulse, the energy fluence condition changes. Accordingly, in terms of the unit of peak power (W / cm 2 ), in the case of an ultrashort pulse (pulse width of 1 psec or less), 10 12 W / cm 2 or less, in the case of a nanosecond pulse (pulse width of 10 nsec), 6 × 10 8 to 2 × 10 9 W / cm 2 or less.
The first condition is a condition when the laser intensity is low, and the laser output and the irradiation time for laser ablation are preferably irradiated in a pulsed manner with a relatively low energy fluence (W / cm 2 ). Specifically, according to the experiments of the present inventors, as a result of measurement in the range of 4~12J / cm 2, it can be measured in the same range, that capable in 12 J / cm 2 sufficient measurement It was confirmed that it was not possible to measure at 0.4 J / cm 2 . Although the upper limit of the fluence has not been confirmed by experiments, it is presumed that at 100 J / cm 2 , the metal surface to be inspected is not affected and the measurement is not hindered. Therefore, it is possible in the range of fluence 4 to 100 J / cm 2 . The first pulse width condition is within the specification range of a general nanosecond laser (Nd: YAG, excimer laser, etc.). In other words, it was found that measurement can be performed by irradiating within the above fluence range using a nanosecond laser.
The second condition is a condition when an ultrashort pulse laser is used, and is 1 J / cm 2 or less, more preferably sufficiently smaller than 1 J / cm 2 . The energy fluence in the case of using this ultrashort pulse satisfies the condition (peening condition) in which the tensile residual stress decreases, and the tensile residual stress does not increase by laser irradiation. That is, the present inventors have found that the irradiation of laser light under peening conditions can ablate the attached trace components without inducing stress corrosion cracking in the metal material.
The above laser conditions are almost the same with respect to the analysis of attached trace components. In addition, the canister temperature (up to about 100 ° C) has almost no effect on accuracy.

この第1のレーザー1と第2のレーザー2とは、第1のレーザー光11でサンプル6の表面をアブレーションした後、第2のレーザー光12でアブレーションされた物質の雰囲気(アブレーションプルーム)19を再加熱または再励起するように配置される。例えば本実施形態の場合、第1のレーザー光11をサンプル6の表面に直交するように照射させ、第2のレーザー光12をサンプル6の表面と平行に照射してアブレーションプルームを通過するように設けられている。第2のレーザー光は、材料ではなく空気をプラズマ化するため、レーザー光のピークパワーを高くしても材料への損傷を大きくすることがなく、材料への損傷を抑制するため第1のレーザー光をより低いパワーでアブレーションするようにしてもプラズマが生成されるという効果を有する。   The first laser 1 and the second laser 2 ablate the surface (ablation plume) 19 of the material ablated with the second laser light 12 after the surface of the sample 6 is ablated with the first laser light 11. Arranged for reheating or re-excitation. For example, in the case of the present embodiment, the first laser beam 11 is irradiated so as to be orthogonal to the surface of the sample 6, and the second laser beam 12 is irradiated parallel to the surface of the sample 6 so as to pass through the ablation plume. Is provided. Since the second laser light turns air instead of the material into plasma, even if the peak power of the laser light is increased, the damage to the material is not increased, and the first laser is used to suppress the damage to the material. Even if light is ablated at a lower power, plasma is generated.

ここで、第1のレーザー光11と第2のレーザー光12とのレーザー光照射時間差としては、第1のレーザー1によるアブレーションの後、白色光ノイズが減少し尚かつ励起原子がアブレーションプルーム19中に残っている状態が確保される時間であり、例えば0.5μs〜5μsの範囲で与えることが好ましい。また、金属表面の付着微量成分をアブレーションする場合、レーザーのピークパワーが小さいことから白色ノイズは弱いが、この場合においても、受光素子5のゲート開始時間が早ければ、白色光ノイズが輝線強度に比べて強いので、計測できず、遅いと輝線強度が減衰してしまって感度が出ない。そこで、この場合における、受光素子のゲート開放開始とその直前のレーザー光の照射との時間差は、ダブルパルスによる場合と同様に、1μs〜10μsの範囲に調整されることが好ましい。   Here, the laser light irradiation time difference between the first laser light 11 and the second laser light 12 is that after the ablation by the first laser 1, white light noise is reduced and the excited atoms are in the ablation plume 19. Is a time during which the remaining state is secured, and is preferably given in the range of 0.5 μs to 5 μs, for example. In addition, when ablating a trace amount component adhering to a metal surface, white noise is weak because the peak power of the laser is small, but even in this case, if the light receiving element 5 has a fast gate start time, the white light noise is increased to the emission line intensity. Since it is stronger than that, it cannot be measured, and if it is slow, the intensity of the bright line is attenuated and sensitivity is not obtained. Therefore, in this case, the time difference between the start of opening the gate of the light receiving element and the irradiation of the laser beam immediately before it is preferably adjusted to a range of 1 μs to 10 μs as in the case of the double pulse.

尚、実験装置では、レーザー光の照射によるアブレーション並びにアブレーションプルーム19からの発光の計測は、光学レンズやミラーなどを用いた光学系によって行うようにしているが、場合によっては、直接光ファイバーによって導光することにより、照射したり、分光器4に取り込むようにしても良い。光ファイバーは通常紫外域(波長200nm以下)の光は通さないため、真空紫外域等の発光を測定する場合に有効である。勿論、レンズを用いて光ファイバーに集光することにより分光される光強度を増加し、測定感度を向上することも好ましい。また、光ファイバーとしてバンドルファイバーを用い、光ファイバーの出射形状をライン状にして分光器のスリット形状に合わせることにより、光ファイバーと分光器の結合効率を向上させるようにしても良い。また、レーザー光の集光と発光の集光を同軸に設定することも可能である。これにより、システムを簡便にすることができる。   In the experimental apparatus, ablation by laser light irradiation and light emission from the ablation plume 19 are measured by an optical system using an optical lens or a mirror, but in some cases, the light is directly guided by an optical fiber. By doing so, it may be irradiated or taken into the spectroscope 4. An optical fiber usually does not pass light in the ultraviolet region (with a wavelength of 200 nm or less), so it is effective when measuring light emission in the vacuum ultraviolet region or the like. Of course, it is also preferable to improve the measurement sensitivity by increasing the intensity of the separated light by condensing on the optical fiber using a lens. Alternatively, a bundle fiber may be used as the optical fiber, and the coupling efficiency between the optical fiber and the spectroscope may be improved by matching the output shape of the optical fiber to a line shape and the slit shape of the spectroscope. It is also possible to set the condensing of the laser light and the condensing of the emitted light coaxially. Thereby, the system can be simplified.

分光器4としては、本実施形態では、回折格子により波長情報を空間情報に変換する分光器を用いているが、これに限らず、例えばバンドパスフィルターを用いることも可能である。測定対象物質が一つまたは少数に限られている場合、その発光線と近傍のバックグラウンドの波長に合わせたバンドパスフィルターを用意し、それぞれのバンドパスフィルターを通した後の光強度を測定することにより、バックグラウンドに対する発光の強度、すなわち測定対象物質の発光線強度を測定することが可能である。この場合、バックグラウンド測定用バンドパスフィルターとして、二つ以上の波長のバンドパスフィルターを用いることで測定の信頼性を向上することができる。以上のようにバンドパスフィルターを用いて分光することにより、装置構成を格段に簡素化することができると共に、製作コストを格段に下げることが可能となる。   As the spectroscope 4, in this embodiment, a spectroscope that converts wavelength information into spatial information using a diffraction grating is used. However, the present invention is not limited to this, and a bandpass filter, for example, can also be used. When the number of substances to be measured is limited to one or a few, prepare a bandpass filter that matches the emission line and the nearby background wavelength, and measure the light intensity after passing through each bandpass filter. Thus, it is possible to measure the intensity of light emission with respect to the background, that is, the intensity of the emission line of the measurement target substance. In this case, measurement reliability can be improved by using a bandpass filter having two or more wavelengths as the background-measurement bandpass filter. As described above, it is possible to remarkably simplify the apparatus configuration and to significantly reduce the manufacturing cost by performing spectroscopy using the bandpass filter.

受光系としては分光器4とICCDカメラ5、または分光器4と光電子増倍管(図示省略)を用いることが好ましい。ゲート機能を有する受光素子5としては、本実施形態の場合、ICCDカメラを用いている。ICCDカメラは回折格子を有する分光器により空間情報に変換された波長毎の強度分布(スペクトル)を一度に取得することが可能であり、多数の物質の発光スペクトルを同時に取得することが可能であり、多数の物質の計測を一度に行うことができる。また、高い時間分解能でゲートをかけることができるため、前述したようにゲート開放開始までの遅れ時間とゲート開放時間を調整することにより、プラズマの制動輻射によるバックグラウンドノイズを低減することが可能である。さらにイメージインテンシファイアにより信号強度を増強することが可能であるため、測定のS/N比を向上することができる。しかしながら受光素子5としてはICCDカメラに限る必要はなく、たとえば、通常のCCDカメラや線形フォトダイオード等の線形受光素子を用いることも可能である。この場合も回折格子を有する分光器と同時に用いることにより、多数の物質を一度に計測することが可能である。また、受光素子として、光電子増倍管やフォトダイオード等の単一受光素子を用いることも可能である。この場合、波長毎の強度分布(スペクトル)を一度に取得することはできないため、多数の物質の計測を同時に行うことはできないが、単一または少数の物質のみを測定すればよい場合、または多数の物質の計測でも、各物質を同時に測定しなくてもよい場合は適用可能である。例えば、単一または少数の物質のみを測定すればよい場合、上述したようにバンドパスフィルターと共に用いて、測定対象物質の発光波長とその近傍のバックグラウンド波長を1点もしくは数点同時に測定すればよい。これにより装置を格段に簡便にすることが可能となると共に、製作コストを低くすることができる。また、多数の物質の計測でも各物質を同時に測定しなくてもよい場合には、例えば回折格子を有する分光器と共に用いて、回折格子を回転させながら波長毎の強度分布(スペクトル)を測定すればよい。時間に対して変動の少ない現象を測定する場合は有効である。   As the light receiving system, it is preferable to use the spectroscope 4 and the ICCD camera 5, or the spectroscope 4 and a photomultiplier tube (not shown). In this embodiment, an ICCD camera is used as the light receiving element 5 having a gate function. The ICCD camera can acquire the intensity distribution (spectrum) for each wavelength converted into spatial information by a spectroscope having a diffraction grating at a time, and can simultaneously acquire the emission spectra of many substances. Many substances can be measured at once. In addition, since the gate can be applied with high time resolution, it is possible to reduce background noise due to plasma bremsstrahlung by adjusting the delay time until the gate opening starts and the gate opening time as described above. is there. Further, since the signal intensity can be enhanced by the image intensifier, the S / N ratio of the measurement can be improved. However, the light receiving element 5 need not be limited to an ICCD camera, and for example, a normal light receiving element such as a normal CCD camera or a linear photodiode may be used. In this case as well, a large number of substances can be measured at once by using the spectroscope having a diffraction grating at the same time. As the light receiving element, a single light receiving element such as a photomultiplier tube or a photodiode can be used. In this case, since it is not possible to obtain an intensity distribution (spectrum) for each wavelength at the same time, a large number of substances cannot be measured at the same time, but only a single or a small number of substances need to be measured, or many The measurement of these substances is also applicable when it is not necessary to measure each substance simultaneously. For example, when only a single substance or a small number of substances need to be measured, it can be used together with a bandpass filter as described above, and the emission wavelength of the substance to be measured and the background wavelength in the vicinity thereof can be measured at one or several points simultaneously. Good. As a result, the apparatus can be remarkably simplified and the manufacturing cost can be reduced. In addition, when it is not necessary to measure each substance simultaneously even when measuring a large number of substances, the intensity distribution (spectrum) for each wavelength can be measured while rotating the diffraction grating using, for example, a spectroscope having a diffraction grating. That's fine. This is effective when measuring phenomena with little variation with respect to time.

本実施形態の場合には、ICCDカメラ5にはスペクトル強度分布を分析する各種解析プログラムなどを実装したコンピュータ18が接続され、ICCDカメラ5で撮像した周波数毎の発光強度の情報を入力して、このデータを保存し、あるいは積算し、解析して発光スペクトルとしてディスプレーに表示したり、周波数毎の発光強度の情報から金属表面の塩分の有無、さらには塩分濃度等を計測する。このコンピュータ18は、図示していないが記憶装置を備え、金属表面に既知の濃度の微量成分を付着させてレーザ光を照射したときに発生するプラズマの発光のスペクトル強度分布等を予め記憶させたり、検量線を備えることにより、参照データとの発光強度の比較あるいは検量線の参照により目的物質・原子の濃度変化などを検出するように設けることが好ましい。尚、発光スペクトルを保存し、必要に応じて積算したり、解析する必要がない場合には、パソコン18を必要とせず、ICCDカメラ5に付属のモニターディスプレイに単に発光スペクトルを表示してモニターするようにしても良い。   In the case of the present embodiment, the ICCD camera 5 is connected to a computer 18 equipped with various analysis programs for analyzing the spectral intensity distribution, and the information of the emission intensity for each frequency captured by the ICCD camera 5 is input. This data is stored, integrated, analyzed, and displayed on the display as an emission spectrum, or the presence or absence of salt on the metal surface, and further, the concentration of salt, etc. are measured from information on the emission intensity for each frequency. The computer 18 includes a storage device (not shown), and stores in advance a spectral intensity distribution of plasma emission generated when a laser component is irradiated with a trace component having a known concentration on a metal surface. It is preferable to provide a calibration curve so as to detect a change in the concentration of the target substance or atoms by comparing the emission intensity with reference data or referring to the calibration curve. If it is not necessary to store the emission spectrum and integrate or analyze it as necessary, the personal computer 18 is not required and the emission spectrum is simply displayed on the monitor display attached to the ICCD camera 5 for monitoring. You may do it.

以上のように構成された本発明の金属表面の付着物質濃度の計測方法並びに装置によると、金属表面に付着した微量成分の濃度の計測を以下に示すようにして実施できる。   According to the method and apparatus for measuring the concentration of adhering substances on the metal surface of the present invention configured as described above, the concentration of trace components adhering to the metal surface can be measured as follows.

まず、金属表面に対してレーザー光を照射し、付着成分をアブレーションさせ、発光を観測する。ここで、一つ目のレーザー光11はレンズ7により金属表面6a上に集光されてアブレーションプラズマを生成し、二つ目のレーザー光12は一つ目のレーザー光照射により生じたプラズマプルーム19中にレンズ8により集光される。発光は光ファイバー17を通過し、回折格子を有する分光器4により分光され、ICCDカメラ5により受光される。ICCDカメラ5は、回折格子を有する分光器4により空間情報に変換された波長毎の強度分布(スペクトル)を一度に取得することが可能であり、多数の物質の発光スペクトルを同時に取得することが可能であり、多数の物質の計測を一度に行うことができる。   First, the metal surface is irradiated with a laser beam to ablate the adhering component, and the emitted light is observed. Here, the first laser beam 11 is condensed on the metal surface 6a by the lens 7 to generate ablation plasma, and the second laser beam 12 is a plasma plume 19 generated by the first laser beam irradiation. It is condensed by the lens 8 inside. The emitted light passes through the optical fiber 17, is dispersed by the spectroscope 4 having a diffraction grating, and is received by the ICCD camera 5. The ICCD camera 5 can acquire the intensity distribution (spectrum) for each wavelength converted into spatial information by the spectroscope 4 having a diffraction grating at a time, and can simultaneously acquire emission spectra of a large number of substances. Yes, it is possible to measure many substances at once.

ここで、837.59nmの塩素の発光線、517.26 nmのマグネシウムの発光線、518.36 nmのマグネシウムの発光線、833.31 nmの塩素の発光線は塩分の存在を示唆するものであり、いずれかの発光線を用いることによりそれら発光線の発光強度と塩分濃度とは比例関係にあることから、塩分の存在とその濃度が求められる。   Here, the 837.59 nm chlorine emission line, the 517.26 nm magnesium emission line, the 518.36 nm magnesium emission line, and the 833.31 nm chlorine emission line indicate the presence of salinity. Since there is a proportional relationship between the emission intensity of these emission lines and the salinity concentration, the presence of the salinity and its concentration are required.

図1に本発明の金属表面の付着物質濃度の計測方法並びに装置をコンクリートキャスクの中の金属製キャニスタの表面(外表面)に付着する塩分の濃度を計測する実施の形態に適用した場合における、キャニスタ付着塩分濃度計測方法を実施する計測システムの概念図を示す。この付着物質計測システムは、被検査金属(本実施例では金属製キャニスタであり、以下単にキャニスタと呼ぶ)6の表面にレーザー光を照射して付着物質をアブレーションすると共にプラズマ化するに十分なピークパワーのレーザー1と、プラズマ化された物質からの発光を計測し波長毎に分解する分光器と、分光器を経て分光されたプラズマ化された物質からの発光を受光し発光スペクトルを得るゲート機能を有する受光素子と、レーザー及び受光素子のゲート開放開始時間との間の時間差を制御するコントローラとを備える解析装置21と、レーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とを含みコンクリートキャスク26とその中に収容されている金属製キャニスタ6との間、即ち、コンクリートキャスク26の内周面と金属製キャニスタ6の外表面との間の狭隘な空間(狭隘部)27にキャニスタ6の表面に沿って挿入される光伝送部(スコープ)33とで構成されている。   FIG. 1 shows a case where the method and apparatus for measuring the concentration of adhering substances on a metal surface according to the present invention is applied to an embodiment for measuring the concentration of salt adhering to the surface (outer surface) of a metal canister in a concrete cask. The conceptual diagram of the measurement system which implements the canister adhesion salt concentration measuring method is shown. This adhering substance measuring system has a peak sufficient to ablate the adhering substance and turn it into plasma by irradiating the surface of the metal 6 to be inspected (in this embodiment, a metal canister, hereinafter simply referred to as a canister) with laser light. Power laser 1, a spectroscope that measures light emission from a plasma substance and decomposes it for each wavelength, and a gate function that receives light from a plasma substance that has been dispersed through the spectroscope and obtains an emission spectrum Including an analysis device 21 including a light receiving element having a laser and a controller for controlling a time difference between the laser and the gate opening start time of the light receiving element, an optical system for laser light transmission, and an optical system for light emission measurement. Between the cask 26 and the metal canister 6 accommodated therein, that is, the inner peripheral surface of the concrete cask 26 and the metal key. Thin space between the outer surface of Nisuta 6 is configured optical transmission unit that is inserted in the (narrow portion) 27 along the surface of the canister 6 and (scope) 33.

したがって、コンクリートキャスク26に収容されている金属製キャニスタ6の表面に付着している塩分濃度を計測する場合には、レーザー1と分光器などを含む解析装置21とをコンクリートキャスク26の外に配置し、コンクリートキャスク26内に挿入される光伝送部33を介して金属製キャニスタ6の表面にレーザー光を照射して塩分をアブレーションすると共にプラズマ化し、発光を光伝送部33を介して狭隘な空間27の外の解析装置21に光ファイバ22を介して導き、分光すると共に受光素子で発光スペクトルを得ることにより、金属製キャニスタ6の表面に付着する微量成分を特定しかつその濃度を求める。   Therefore, when the salinity concentration adhering to the surface of the metal canister 6 accommodated in the concrete cask 26 is measured, the laser 1 and the analyzer 21 including the spectroscope are arranged outside the concrete cask 26. Then, the surface of the metal canister 6 is irradiated with a laser beam through the optical transmission unit 33 inserted into the concrete cask 26 to ablate the salt content and turn into plasma, and the light emission is narrowed through the optical transmission unit 33. 27 is guided to the analyzing device 21 outside 27 through the optical fiber 22 and dispersed, and an emission spectrum is obtained by the light receiving element, whereby a trace component adhering to the surface of the metal canister 6 is specified and its concentration is obtained.

ここで、分光器を含めた解析装置21は、コンクリートキャスク26から離れた位置に設置し解析を行う。このように、光伝送部33以外はコンクリートキャスク26から離れて測定が可能なスタンドオフなシステムで測定を行えば、点検時における点検者のコンクリートキャスク26への接近時間を短縮できる可能性がある。また、中空管23から成る光伝送部33は、コンクリートキャスク26の蓋の上に載置されたスコープ駆動系25によって、金属製キャニスタ6の表面に沿って昇降自在に設けられている。また、この光伝送部33は、回転可能に構成されているコンクリートキャスク26の蓋を回転させることにより、スコープ駆動系25ごと金属製キャニスタ6の周りを回転移動するように設けられている。したがって、コンクリートキャスク26の蓋を回転とスコープ駆動系25による光伝送部33の昇降とによって、金属製キャニスタ6の全外周面に付着する塩分を必要に応じて除去し尚かつ計測することができる。しかし、実際には、全周検査が手間なので、SCCが最も発生しやすい溶接箇所のみを検査することが好ましい。   Here, the analysis device 21 including the spectroscope is installed at a position away from the concrete cask 26 and performs analysis. As described above, if the measurement is performed with a stand-off system capable of measuring away from the concrete cask 26 except for the optical transmission unit 33, it is possible to reduce the time for the inspector to approach the concrete cask 26 at the time of inspection. . Further, the optical transmission unit 33 composed of the hollow tube 23 is provided so as to be movable up and down along the surface of the metal canister 6 by a scope drive system 25 placed on the lid of the concrete cask 26. The optical transmission unit 33 is provided to rotate around the metal canister 6 together with the scope drive system 25 by rotating the lid of the concrete cask 26 that is configured to be rotatable. Therefore, the salt attached to the entire outer peripheral surface of the metal canister 6 can be removed and measured as needed by rotating the lid of the concrete cask 26 and raising and lowering the optical transmission unit 33 by the scope drive system 25. . However, in practice, since the entire circumference inspection is troublesome, it is preferable to inspect only the welded portion where SCC is most likely to occur.

光伝送部33は、図2あるいは図3に示すように中空管23にレーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とを内蔵したものであり、検査対象である金属即ち金属製キャニスタ6の表面に対向する照射部24の先端開口部に金属表面と密着するシール部材28が具備されており、レーザー照射時に、シール部材28と金属製キャニスタ6の表面(金属表面)とが密着することで、照射点を固定すると同時に中空管内を減圧可能とされている。シール部材28としては、例えばOリングゴムなどが用いられる。   As shown in FIG. 2 or FIG. 3, the optical transmission unit 33 has a hollow tube 23 with a built-in optical system for laser light transmission and an optical system for light emission measurement. A seal member 28 that is in close contact with the metal surface is provided at the tip opening of the irradiation unit 24 that faces the surface of the canister 6. The seal member 28 and the surface of the metal canister 6 (metal surface) are in close contact during laser irradiation. By doing so, the inside of the hollow tube can be depressurized while fixing the irradiation point. As the seal member 28, for example, O-ring rubber or the like is used.

ここで、レーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とは、例えば図2に示すように、集光用レンズ7と、レーザー光11の波長のみを反射しレーザー光11を金属表面6に照射する波長選択型ミラー29とを含むレーザー光伝送用の光学系と、金属表面6に付着する微量成分のアブレーションにより生じたプラズマ発光を波長選択型ミラー29の背後に配置されて波長選択型ミラー29を透過したプラズマ発光を反射させる波長に依存しない反射ミラー30を含む発光計測用の光学系とを中空管23の内部に備え、中空管23内をレーザー光とプラズマの発光とが伝搬されるようにしても良い。   Here, the optical system for laser light transmission and the optical system for light emission measurement, for example, as shown in FIG. 2, reflect only the wavelength of the condensing lens 7 and the laser light 11 and reflect the laser light 11 to the metal surface. 6 is disposed behind the wavelength selective mirror 29 to select the wavelength of the plasma emission generated by the ablation of the trace component adhering to the metal surface 6. An optical system for light emission measurement including a reflection mirror 30 that does not depend on the wavelength for reflecting the plasma emission that has passed through the mold mirror 29 is provided inside the hollow tube 23, and the inside of the hollow tube 23 emits laser light and plasma. May be propagated.

また、レーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とは、例えば図3に示すように、光ファイバで構成するようにしても良い。この場合には、光伝送部33の中空管23の先端のL形に屈曲した形状に沿ってレーザー光伝送用光ファイバ31と発光計測用光ファイバ32の先端面が各々金属表面と対向するように曲げられて配置されている。   Further, the optical system for laser light transmission and the optical system for light emission measurement may be constituted by optical fibers as shown in FIG. 3, for example. In this case, the tip surfaces of the laser light transmitting optical fiber 31 and the light emission measuring optical fiber 32 face the metal surface along the L-shaped bent shape of the tip of the hollow tube 23 of the light transmitting portion 33. So that it is bent.

また、光伝送部33は、図示していないが、中空管23を用いずに、むき出しとなったレーザー光伝送用の光ファイバ31と、発光計測用の光ファイバ32のみで構成するようにしても良い。この場合には、各光ファイバ31,32はコンクリートキャスク26の外に配置される巻き取り用ドラムになどに巻き取られてコンクリートキャスク26内の金属製キャニスクとの間の狭隘な空間27に吊り下げられ、金属表面と対向するようにケーブル先端が曲げられた状態で上下動されるように設けられる。   Although not shown, the optical transmission unit 33 is configured by only the exposed optical fiber 31 for laser light transmission and the optical fiber 32 for light emission measurement without using the hollow tube 23. May be. In this case, the optical fibers 31 and 32 are wound around a take-up drum or the like disposed outside the concrete cask 26 and suspended in a narrow space 27 between the metal canister and the concrete cask 26. The cable is lowered and moved up and down with the end of the cable bent so as to face the metal surface.

図1〜図3に例示される光伝送部33の場合、金属表面と平行に第2のレーザー光を照射する構成を採ること難しいケースもあるので、シングルパルス方式とすることが好ましいが、場合によっては同じ光学系あるいは光ファイバを用いたダブルパルス方式とすることも可能である。例えば、同軸に配置された二つのレーザー光11,12の間で焦点位置をずらしたり、また第2のレーザー光12を金属表面に対して斜交させることにより照射面の大きさを変えることで、ピークパワー上限値以下となるようにレーザー光のエネルギと照射面の面積を調整することでも同様の効果を得ることができる。さらに、2回目のレーザー光のレーザーエネルギーを下げることによっても同様の効果が得られる。具体的には、2回目も追加熱用として材料をアブレーションさせる場合は、1回目も2回目も同じ強さ、あるいは1回目に対し2回目が弱いというピークパワーの配分によっても、金属表面の損傷を招くことなくプラズマが生成されて測定感度を上げることができる。さらに、中空管23の先端開口部のシール部材28をキャニスタ6の表面に密着させると共に基端側を真空ポンプなどに接続して中空管23内を真空化することにより、空気のプラズマ化を抑制できるので、付着微量成分からのプラズマのみが発生し、計測精度を向上させることができる。   In the case of the optical transmission unit 33 illustrated in FIGS. 1 to 3, there is a case where it is difficult to adopt a configuration in which the second laser light is irradiated in parallel with the metal surface. Depending on the case, a double pulse system using the same optical system or optical fiber may be used. For example, by shifting the focal position between the two laser beams 11 and 12 arranged coaxially, or by changing the size of the irradiation surface by causing the second laser beam 12 to cross obliquely with respect to the metal surface. The same effect can also be obtained by adjusting the energy of the laser beam and the area of the irradiated surface so that the peak power is lower than the upper limit value. Further, the same effect can be obtained by lowering the laser energy of the second laser beam. Specifically, when the material is ablated for additional heat for the second time, damage to the metal surface is also caused by the same strength in the first and second times, or by the distribution of peak power that the second time is weaker than the first time. The plasma can be generated without incurring and the measurement sensitivity can be increased. Further, the sealing member 28 at the distal end opening of the hollow tube 23 is brought into close contact with the surface of the canister 6 and the inside of the hollow tube 23 is evacuated by connecting the base end side to a vacuum pump or the like, thereby converting the air into plasma. Therefore, only the plasma from the attached trace component is generated, and the measurement accuracy can be improved.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、第1のレーザー1と第2のレーザー2とを時間差を与えて照射するダブルパルスについて主に説明したが、これに特に限られるものではなく、検査対象である金属表面に1パルスのレーザー光を照射して付着物質をアブレーションし、アブレーションによりプラズマ化された物質からの発光を受光素子で撮像して発光スペクトルを求め、この発光スペクトルから付着物質濃度を測定するようにしても良い。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the present embodiment, the description has mainly been given of the double pulse that irradiates the first laser 1 and the second laser 2 with a time difference. However, the present invention is not particularly limited to this, and is applied to the metal surface to be inspected. A pulse of laser light is irradiated to ablate the adhering substance, light emission from the substance made plasma by ablation is imaged with a light receiving element to obtain an emission spectrum, and the adhering substance concentration is measured from the emission spectrum. Also good.

また、ダブルパルスによる場合、2つのレーザー光11,12は互いに直交するように照射させるように配置するものに限られる必要は無く、図示していないが、例えば同軸に配置された二つのレーザー光11,12の間で焦点位置をずらしたり、また第2のレーザー光12を金属表面に対して斜交させることにより照射面の大きさを変えることで、ピークパワー上限値以下となるようにレーザー光のエネルギと照射面の面積を調整することでも同様の効果を得ることができる。しかも、同軸に配置する場合には装置の構成が簡便となる利点がある。さらに、2回目のレーザー光のレーザーエネルギー(J)を下げることによっても同様の効果が得られる。具体的には、2回目も追加熱用として材料をアブレーションさせる場合は、1回目も2回目も同じ強さ、あるいは1回目に対し2回目が弱いというピークパワーの配分によっても、金属表面の損傷を招くことなくプラズマが生成されて測定感度を上げることができる。   Further, in the case of the double pulse, the two laser beams 11 and 12 need not be limited to those arranged to irradiate so as to be orthogonal to each other, and although not shown, for example, two laser beams arranged coaxially By changing the size of the irradiated surface by shifting the focal position between 11 and 12, or by obliquely crossing the second laser beam 12 with respect to the metal surface, the laser can be reduced to the peak power upper limit value or less. The same effect can be obtained by adjusting the energy of light and the area of the irradiated surface. In addition, there is an advantage that the configuration of the apparatus is simple when arranged coaxially. Further, the same effect can be obtained by lowering the laser energy (J) of the second laser beam. Specifically, when the material is ablated for additional heat for the second time, damage to the metal surface is also caused by the same strength in the first and second times, or by the distribution of peak power that the second time is weaker than the first time. The plasma can be generated without incurring and the measurement sensitivity can be increased.

また、金属製キャニスタ6の外表面とコンクリートキャスク26の内周面との間に設けられ、レーザー光伝送用の光学系の照射部24を支持すると共に、照射部24と金属製キャニスタ6の外表面との間隔を一定に維持する走行手段36を設けても良い。この場合の例を図28〜図33に示す。なお、図1〜図4に記載された構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付し、それらの説明を省略する。   Further, it is provided between the outer surface of the metal canister 6 and the inner peripheral surface of the concrete cask 26, and supports the irradiation unit 24 of the optical system for laser light transmission, and is provided outside the irradiation unit 24 and the metal canister 6. A traveling means 36 that maintains a constant distance from the surface may be provided. Examples of this case are shown in FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same structural member as the structural member described in FIGS. 1-4, and those description is abbreviate | omitted.

本実施形態では、耐熱ケース37内にレーザー光伝送用の光学系の光ファイバ31の先端を挿入すると共に、レンズやミラー等の光学部品を収容することで光伝送部33の照射部24を構成している。   In the present embodiment, the irradiation unit 24 of the optical transmission unit 33 is configured by inserting the tip of the optical fiber 31 of the optical system for laser light transmission into the heat-resistant case 37 and accommodating optical components such as lenses and mirrors. doing.

耐熱ケース37は高放射線・高温による光学機器の損傷を出来る限り低減するために密閉構造とし、鉄などの高原子番号の素材とアクリルなどの低原子番号の素材を組み合わせた構造等が挙げられる。また、さらなる冷却が必要な場合には、耐熱ケース37内部にファンを設置して空冷を行うか、冷却水を満たして循環水冷を行うようにしても良い。冷却水を用いる場合には、冷却水が高速中性子線を熱中性子に減速させるため、中性子線による光学機器の損傷が低減される。さらに、耐熱ケース37にはレーザー照射と発光計測用のために石英窓37aが具備される。   The heat-resistant case 37 has a sealed structure in order to reduce damage of the optical device due to high radiation and high temperature as much as possible, and includes a structure in which a high atomic number material such as iron and a low atomic number material such as acrylic are combined. If further cooling is required, a fan may be installed inside the heat-resistant case 37 for air cooling, or cooling water may be filled to perform circulating water cooling. When the cooling water is used, the cooling water decelerates the fast neutron beam to the thermal neutron, so that damage to the optical device due to the neutron beam is reduced. Further, the heat-resistant case 37 is provided with a quartz window 37a for laser irradiation and light emission measurement.

キャスク蓋26aの上部に照射部24を挿入させる貫通穴を具備した装置挿入用固定台38を設置する。この装置挿入用固定台38の上に、挿入する照射部24を昇降する装置39を設置する。昇降装置39としては、例えばワイヤーロープを用いた巻き取り式クレーンやガイドレールを用いた駆動装置等が挙げられる。ただし、これらに限られるものではない。本実施形態では、昇降装置39としてワイヤーロープ41を用いた巻き取り式クレーンを採用している。ワイヤーロープ41は耐熱ケース37の上部に接続されている。このような照射部24を吊り下げる方式を用いる場合、吊り下げられる機器の小型化と軽量化を行うことが可能となり、狭隘部27を長ストローク移動させても、照射部24のふらつきが抑えられる。   An apparatus insertion fixing base 38 having a through hole for inserting the irradiation unit 24 is installed on the upper part of the cask lid 26a. A device 39 for raising and lowering the irradiation unit 24 to be inserted is installed on the device insertion fixing base 38. Examples of the lifting device 39 include a take-up crane using a wire rope and a driving device using a guide rail. However, it is not restricted to these. In the present embodiment, a take-up crane using a wire rope 41 is employed as the lifting device 39. The wire rope 41 is connected to the upper part of the heat-resistant case 37. When such a method of suspending the irradiation unit 24 is used, it is possible to reduce the size and weight of the suspended device, and even if the narrow portion 27 is moved for a long stroke, the fluctuation of the irradiation unit 24 can be suppressed. .

また、照射部24の位置(高さ)を把握するために、レーザー測距計などの距離計40を固定台38に設置する。これにより、照射部24を正確に上下方向に駆動させることが可能になる。ただし、距離計40を設ける代わりに、例えばワイヤーロープ41の繰り出し量に基づいて照射部24の位置を把握するようにしても良い。   Further, a distance meter 40 such as a laser range finder is installed on the fixed base 38 in order to grasp the position (height) of the irradiation unit 24. As a result, the irradiation unit 24 can be accurately driven in the vertical direction. However, instead of providing the distance meter 40, for example, the position of the irradiation unit 24 may be grasped on the basis of the feed amount of the wire rope 41.

耐熱ケース37の下には、耐熱ケース37のふらつきを抑えて金属製キャニスタ6との間隔を所定距離に維持する走行手段36が取り付けられている。本実施形態の走行手段36は、車輪42および台車43を備えている。台車43は耐熱ケース37の底面に取り付けられ、金属製キャニスタ6の表面6a(相手側面)を転動する車輪42と、コンクリートキャスク26の内周面26b(相手側面)を転動する車輪42が取り付けられている。各車輪42はサスペンションによって相手側面に押し付けられている。車輪42は例えばキャスターであり、照射部24の動きに追従して向きを変える。金属製キャニスタ6側の車輪42とコンクリートキャスク26側の車輪42との間隔は、狭隘部27の間隔(金属製キャニスタ6の表面6aとコンクリートキャスク26の内周面26bとの間隔)に合わせて調整可能となっている。   Under the heat-resistant case 37, traveling means 36 that suppresses the fluctuation of the heat-resistant case 37 and maintains the distance from the metal canister 6 at a predetermined distance is attached. The traveling means 36 of this embodiment includes wheels 42 and a carriage 43. The carriage 43 is attached to the bottom surface of the heat-resistant case 37, and has wheels 42 that roll on the surface 6 a (mating side) of the metal canister 6 and wheels 42 that roll on the inner peripheral surface 26 b (mating side) of the concrete cask 26. It is attached. Each wheel 42 is pressed against the other side surface by the suspension. The wheel 42 is, for example, a caster, and changes its direction following the movement of the irradiation unit 24. The distance between the wheel 42 on the metal canister 6 side and the wheel 42 on the concrete cask 26 side is matched to the distance between the narrow portions 27 (the distance between the surface 6 a of the metal canister 6 and the inner peripheral surface 26 b of the concrete cask 26). It is adjustable.

本実施形態では、車輪42の数を金属製キャニスタ6側:2輪(水平に並べる)、コンクリートキャスク26側:1輪としており、緩やかな曲率を持つ金属製キャニスタ6の表面6a又はコンクリートキャスク26の内周面26bの転動に適した構成となっている。ただし、車輪42の数はこれに限られるものではなく、例えば金属製キャニスタ6側:コンクリートキャスク26側を2輪:2輪、1輪:1輪、1輪:2輪としても良く、その他でも良い。   In the present embodiment, the number of the wheels 42 is the metal canister 6 side: two wheels (horizontally arranged), and the concrete cask 26 side: one wheel, and the surface 6a of the metal canister 6 or the concrete cask 26 having a gentle curvature. This configuration is suitable for rolling the inner peripheral surface 26b. However, the number of wheels 42 is not limited to this. For example, the metal canister 6 side: the concrete cask 26 side may be two wheels: two wheels, one wheel: one wheel, one wheel: two wheels. good.

照射部24の上下方向の移動は昇降装置25によって行われ、水平方向(金属製キャニスタ6周方向)の移動はコンクリートキャスク26のキャスク蓋26aを回転させることで行われる。即ち、照射部24を吊り下げるワイヤーロープ41を垂直方向及び水平方向に動かすことで、照射部24は走行手段36を走行させながら所望の位置に移動される。このとき、走行手段36の各車輪42はサスペンションによって金属製キャニスタ6又はコンクリートキャスク26に押し付けられており、謂わば金属製キャニスタ6とコンクリートキャスク26との間を突っ張る構成であり、照射部24の揺れが抑制される。   The vertical movement of the irradiation unit 24 is performed by the lifting device 25, and the horizontal movement (the circumferential direction of the metal canister 6) is performed by rotating the cask lid 26a of the concrete cask 26. That is, by moving the wire rope 41 that suspends the irradiation unit 24 in the vertical direction and the horizontal direction, the irradiation unit 24 is moved to a desired position while the traveling means 36 is traveling. At this time, each wheel 42 of the traveling means 36 is pressed against the metal canister 6 or the concrete cask 26 by the suspension, and so-called a structure that stretches between the metal canister 6 and the concrete cask 26. Shake is suppressed.

ただし、照射部24を移動させる手段としては、ワイヤーロープ41による垂直方向及び水平方向への牽引に限るものではない。例えば、車輪42を回転駆動させるモータと車輪42の向きを変えるモータを台車43に設け、無線通信又は有線通信による遠隔操作によって各車輪42の向きと回転駆動を制御して照射部24を所望の位置まで移動させるようにしても良い。   However, means for moving the irradiation unit 24 is not limited to pulling in the vertical and horizontal directions by the wire rope 41. For example, a motor for rotating the wheel 42 and a motor for changing the direction of the wheel 42 are provided in the carriage 43, and the direction and the rotation drive of each wheel 42 are controlled by remote operation by wireless communication or wired communication so that the irradiation unit 24 can be set in a desired manner. You may make it move to a position.

図30にレーザー光および発光の伝送方法の一例を示す。コンクリートキャスク26の外部に設置してあるレーザー1,2および解析装置21と照射部24との間を光伝送させるために、レーザー光伝送用光ファイバ31と発光計測用光ファイバ32を束ねたもの(バンドルファイバ44)を用いる。本実施形態では、1本のレーザー光伝送用光ファイバ31の周囲に複数の発光計測用光ファイバ32を配置している。各光ファイバ31,32の先端はフェルール45内に挿入され固定されている(図31)。フェルール45は耐熱ケース37に固定されている。本実施形態では、レーザー光伝送用光ファイバ31で伝送されたレーザー光11,12は、凸レンズ46で集光されて、全反射ミラー47で90度方向を変えた後に石英窓37aから金属製キャニスタ6の表面に対して垂直に照射される。   FIG. 30 shows an example of a laser light and light emission transmission method. A bundle of an optical fiber 31 for laser light transmission and an optical fiber 32 for light emission measurement in order to transmit light between the lasers 1 and 2 installed outside the concrete cask 26 and between the analyzer 21 and the irradiation unit 24. (Bundle fiber 44) is used. In the present embodiment, a plurality of light emission measuring optical fibers 32 are arranged around one laser light transmitting optical fiber 31. The tips of the optical fibers 31 and 32 are inserted into the ferrule 45 and fixed (FIG. 31). The ferrule 45 is fixed to the heat resistant case 37. In the present embodiment, the laser beams 11 and 12 transmitted through the optical fiber 31 for laser beam transmission are collected by the convex lens 46, changed in direction by 90 degrees by the total reflection mirror 47, and then changed from the quartz window 37a to the metal canister. 6 is irradiated perpendicularly to the surface of 6.

また、本実施形態ではダブルパルス方式を採用しており、レーザーとして、被検査金属6の表面6aにレーザー光11を照射して付着物質をアブレーションする第1のレーザー(アブレーション用レーザー)1と、第1のレーザー光11でアブレーションされた物質の雰囲気(アブレーションプルーム)19に第2のレーザー光12を照射してプラズマ化を促進する第2のレーザー2を備えている。また、本実施形態では、第1のレーザー光11と第2のレーザー光12とを同一の光ファイバ31で伝送している。そのため、光カプラや偏光ビームスプリッタなどの光学素子48を用いてレーザー光11,12を重畳させて光ファイバ31に入射する。   In the present embodiment, a double pulse method is adopted, and as a laser, a first laser (ablation laser) 1 for ablating the adhered substance by irradiating the surface 6a of the metal 6 to be inspected with a laser beam 11, There is provided a second laser 2 that irradiates the atmosphere (ablation plume) 19 of the substance ablated with the first laser light 11 with the second laser light 12 to promote plasma formation. In the present embodiment, the first laser beam 11 and the second laser beam 12 are transmitted through the same optical fiber 31. Therefore, the laser beams 11 and 12 are superimposed using an optical element 48 such as an optical coupler or a polarization beam splitter and incident on the optical fiber 31.

金属製キャニスタ6の表面で生じたプラズマ発光は、レーザー光11,12と逆の光路(石英窓37a→全反射ミラー47→凸レンズ46→バンドルファイバ44)を辿ってバンドルファイバ44に集光される。そして、発光は発光計測用光ファイバ32で伝送されて解析装置21の分光器4に入射される。このように、照射と受光の光路を同じにすることにより、レーザーが集光する面と受光面との位置ずれが原理的に無くなり、光学部品点数の削減により照射部24の小型化が可能となる。なお、ここではダブルパルス方式を採用した例について説明したが、シングルパルス方式を採用しても良いことは勿論である。   Plasma emission generated on the surface of the metal canister 6 is collected on the bundle fiber 44 along an optical path opposite to the laser beams 11 and 12 (quartz window 37a → total reflection mirror 47 → convex lens 46 → bundle fiber 44). . The emitted light is transmitted through the optical fiber 32 for light emission measurement and is incident on the spectroscope 4 of the analysis device 21. In this way, by making the optical path of irradiation and light reception the same, the positional deviation between the surface on which the laser is focused and the light receiving surface is eliminated in principle, and the irradiation unit 24 can be downsized by reducing the number of optical components. Become. In addition, although the example which employ | adopted the double pulse system was demonstrated here, of course, you may employ | adopt a single pulse system.

また、図32にレーザー光および発光の伝送方法の他の例を示す。図30に示す部材と同一の部材については同一の符号を付してある。図30の例と比較すると、レーザー照射の照射方向に違いがある。金属製キャニスタ6の表面に垂直に照射される第1のレーザー光11により金属製キャニスタ6の表面に付着した塩分をプラズマ化し、金属製キャニスタ6の表面に平行に照射される第2のレーザー光12によりプラズマを再励起させる。平行に照射される第2のレーザー光12は、軸外し楕円鏡49により集光させる。図30では、プラズマ生成用のレーザー光(第1のレーザー光)11と再励起用のレーザー光(第2のレーザー光)12は同じ光ファイバ31を伝送することになるが、図32の方式ではそれぞれ別の光ファイバ31,31を用いる。これにより、再励起用のレーザー光12は金属製キャニスタ6の表面に照射されないため、金属製キャニスタ6への損傷を気にせずにレーザー光強度を高く設定することが可能となる。また、光ファイバ1本当たりが受けるレーザー光による熱損傷を低減することが可能となる。   FIG. 32 shows another example of a laser light and light emission transmission method. The same members as those shown in FIG. 30 are denoted by the same reference numerals. Compared with the example of FIG. 30, there is a difference in the irradiation direction of laser irradiation. The first laser beam 11 irradiated perpendicularly to the surface of the metal canister 6 is turned into plasma by the first laser beam 11 irradiated to the surface of the metal canister 6, and the second laser beam irradiated in parallel to the surface of the metal canister 6. 12 re-excites the plasma. The second laser beam 12 irradiated in parallel is condensed by an off-axis elliptical mirror 49. In FIG. 30, the laser beam for plasma generation (first laser beam) 11 and the laser beam for re-excitation (second laser beam) 12 are transmitted through the same optical fiber 31, but the method of FIG. Then, separate optical fibers 31, 31 are used. Thereby, since the laser beam 12 for re-excitation is not irradiated on the surface of the metal canister 6, it becomes possible to set the laser light intensity high without worrying about damage to the metal canister 6. In addition, it is possible to reduce thermal damage caused by the laser light received per optical fiber.

この例では、耐熱ケース37の石英窓37aは斜めに設けられており、再励起用のレーザー光12が石英窓37aから耐熱ケース37外に照射されてアブレーションプルーム19(図示省略)に当たる構成になっている。   In this example, the quartz window 37a of the heat-resistant case 37 is provided obliquely, and the laser light 12 for re-excitation is irradiated from the quartz window 37a to the outside of the heat-resistant case 37 and hits the ablation plume 19 (not shown). ing.

この例でも、第1のレーザー光11を伝送する1本のレーザー光伝送用光ファイバ31の周囲に複数の発光計測用光ファイバ32を配置したバンドルファイバ44を使用している。なお、第2のレーザー光12は1本のレーザー光伝送用光ファイバ31によって伝送される。第2のレーザー光12を伝送する光ファイバ31の先端はフェルール50内に挿入され、軸外し楕円鏡49に向けて固定されている(図33)。   Also in this example, a bundle fiber 44 is used in which a plurality of optical fibers 32 for light emission measurement are arranged around one laser light transmission optical fiber 31 that transmits the first laser light 11. The second laser beam 12 is transmitted by one laser beam transmission optical fiber 31. The tip of the optical fiber 31 that transmits the second laser light 12 is inserted into the ferrule 50 and fixed toward the off-axis elliptical mirror 49 (FIG. 33).

照射部24に走行手段36を設けることで、照射部24を移動させても金属製キャニスタ6の表面6aとの間隔を一定に維持することができ、照射部24の揺れを防止することができる。そのため、照射部24と金属製キャニスタ6の表面6aとの距離が変化してレーザー光11,12の焦点と金属製キャニスタ6の表面6aとの位置関係が当該表面6aの垂直方向にずれたり、レーザー光11,12の照射方向がずれてしまうのを防止することができ、別の位置の計測においてもアブレーションを良好に行うことができる。   By providing the traveling means 36 in the irradiation unit 24, the distance from the surface 6 a of the metal canister 6 can be kept constant even if the irradiation unit 24 is moved, and the shaking of the irradiation unit 24 can be prevented. . Therefore, the distance between the irradiation unit 24 and the surface 6a of the metal canister 6 changes, and the positional relationship between the focal points of the laser beams 11 and 12 and the surface 6a of the metal canister 6 shifts in the vertical direction of the surface 6a. It is possible to prevent the irradiation directions of the laser beams 11 and 12 from being deviated, and it is possible to perform ablation satisfactorily even when measuring at other positions.

さらに、本実施形態においては金属表面に付着する微量成分例えば塩分をプラズマ化して発光を得る手法としては、レーザー照射を挙げて主に説明したが、これに特に限られるものではなく、例えば電気的な方法によっても良い。例えば、スパークプラグや針電極を用いてギャップ放電を行うことによりプラズマを生成させることが可能であり、レーザー照射部を電極に置き換えるだけでレーザー系、受光系などのその他の装置の基本構成に変更を必要としない。   Furthermore, in the present embodiment, the method of obtaining light emission by converting a trace amount component adhering to the metal surface, for example, salt, into plasma has mainly been described by taking laser irradiation, but is not particularly limited to this, for example, electrical It is also possible to use different methods. For example, it is possible to generate plasma by performing gap discharge using a spark plug or needle electrode, and the basic configuration of other devices such as a laser system and a light receiving system can be changed by simply replacing the laser irradiation part with an electrode. Do not need.

さらに、本実施形態では、コンクリートキャスクに収容された金属製キャニスタの表面に付着した塩分の濃度を求める場合について主に説明したが、これに特に限られるものではく、広く金属全般に適用できるものであって、金属表面に付着するあらゆる微量成分の有無とその濃度を求めることができる。しかも、この金属表面は、狭隘な空間に面しているものに限られず、開放された空間に面するものに対しても適用可能である。また、本実施形態では、金属表面に付着した塩分に対し、濃度0.1 g/m程度の感度があることを確認し、また任意の元素の発光強度による付着物質(塩分)濃度の定量化を行うことについて主に説明しているが、場合によっては例えば金属製キャニスタの塩分に起因する応力腐食割れの発生の可能性を判定する指標値(閾値)を定め、それを越えているか否かの判断を行うようにしても良い。 Furthermore, in the present embodiment, the case where the concentration of salt adhered to the surface of a metal canister housed in a concrete cask is mainly described, but the present invention is not particularly limited to this and can be widely applied to all metals. Thus, the presence and concentration of all trace components adhering to the metal surface can be determined. In addition, the metal surface is not limited to the one facing a narrow space, and can be applied to one facing an open space. In this embodiment, it is confirmed that there is a sensitivity of about 0.1 g / m 2 with respect to the salinity adhering to the metal surface, and quantification of the adhering substance (salt content) concentration by the luminescence intensity of any element. In some cases, for example, an index value (threshold value) for determining the possibility of occurrence of stress corrosion cracking due to the salinity of a metal canister is determined, and whether or not it is exceeded You may make it judge whether.

金属表面の微量付着成分の検出感度と濃度測定について確認する実験を行った。ダブルパルス方式の実験配置図を図4に示す。第1及び第2のレーザー1,2は2台のQスイッチNd:YAGレーザー(Continuum社製,Powerlite8010)であり、パルス繰り返し周波数10Hzで、第1のレーザー1はエネルギー30mJ、第2のレーザー2はエネルギー100mJのレーザー光を発生する。レーザー照射のタイミングは1台のタイミングコントローラー3により制御される。第1のレーザー1の出射光11は対象物(サンプル)6に垂直に入射され、焦点距離250mmのレンズ7によりサンプル6上に集光され、アブレーションプラズマプルーム19を生成する。第2のレーザー2の出射光12はサンプル6に平行に入射され、焦点距離250mmのレンズ8を用いて第1のレーザー1により生じたプラズマプルーム19に集光される。プラズマプルーム19からの発光は、第1のレーザー1の集光点から150mmの位置に設置した直径50mm、焦点距離150mmのレンズ14aにより平行光にされ、焦点距離200mmのレンズ14b、シャープカットフィルター15を通した後、光ファイバヘッド16に集光されて、光ファイバ17で伝送される。その後、分光器(Jobin Yvon社製,HR460)4により分光され、ICCDカメラ5により受光される。ICCDカメラ5はレーザー発振と同期した信号によりゲート遅延時間やゲート幅の操作が可能である。尚、図中の符号9,10は反射ミラー、20は移動ステージである。   An experiment was conducted to confirm the detection sensitivity and concentration measurement of trace adhesion components on the metal surface. An experimental layout of the double pulse system is shown in FIG. The first and second lasers 1 and 2 are two Q-switched Nd: YAG lasers (manufactured by Continuum, Powerlite 8010), the pulse repetition frequency is 10 Hz, the first laser 1 has an energy of 30 mJ, and the second laser 2 Generates laser light with an energy of 100 mJ. The timing of laser irradiation is controlled by one timing controller 3. The emitted light 11 of the first laser 1 is incident on the object (sample) 6 perpendicularly and is focused on the sample 6 by the lens 7 having a focal length of 250 mm, thereby generating an ablation plasma plume 19. The emitted light 12 of the second laser 2 is incident on the sample 6 in parallel and is focused on the plasma plume 19 generated by the first laser 1 using the lens 8 having a focal length of 250 mm. Light emitted from the plasma plume 19 is collimated by a lens 14a having a diameter of 50 mm and a focal length of 150 mm installed at a position 150 mm from the focal point of the first laser 1, and a lens 14b having a focal length of 200 mm and a sharp cut filter 15. Then, the light is condensed on the optical fiber head 16 and transmitted through the optical fiber 17. Thereafter, the light is spectrally separated by a spectroscope (manufactured by Jobin Yvon, HR460) 4 and received by an ICCD camera 5. The ICCD camera 5 can operate the gate delay time and the gate width by a signal synchronized with the laser oscillation. In the figure, reference numerals 9 and 10 are reflection mirrors, and 20 is a moving stage.

(実験方法)
本実験では、2台のNd:YAGレーザー装置1,2から第二高調波(532nm)を発振させ、図4に示すように30mJの第1のレーザー光11をSUS304L板(金属板6)表面に対して垂直に入射させ、100mJの第2のレーザー12を平行に入射させた。第1及び第2のレーザー光11,12は、アブレーションをさせるために両方とも凸レンズ7,8で集光させ、第1のレーザー光11はSUS304L板表面の塩分を蒸発(アブレーション)するために、第2のレーザー光12はアブレーションされた塩分を追加熱するために用いた。アブレーションにより生成されたプラズマ19の発光13を計測するために、平凸レンズ14a,14bと低波長側を遮るシャープカットフィルタ15からなる受光系を構築し、光ファイバ17と分光器4を介してICCDカメラ5にて受光した。集光された第1のレーザー光11の直径は、およそ0.5mm程度であり、照射位置により塩分濃度のばらつきがあるため複数箇所を照射し、照射ごとの発光強度の積算平均を求めて濃度と比較した。そのために、移動ステージ20を用いて照射の際に金属板6を移動させ、照射ごとに位置を変更しながら発光を計測した。今回は1回の計測にて、20ショットの発光強度をパソコン18で積算平均した。
(experimental method)
In this experiment, the second harmonic (532 nm) is oscillated from the two Nd: YAG laser devices 1 and 2, and the first laser beam 11 of 30 mJ is applied to the surface of the SUS304L plate (metal plate 6) as shown in FIG. The second laser 12 of 100 mJ was incident in parallel. The first and second laser beams 11 and 12 are both condensed by the convex lenses 7 and 8 for ablation, and the first laser beam 11 is used to evaporate (ablate) the salt on the surface of the SUS304L plate. The second laser beam 12 was used to additionally heat the ablated salt. In order to measure the light emission 13 of the plasma 19 generated by ablation, a light receiving system composed of plano-convex lenses 14a and 14b and a sharp cut filter 15 blocking the low wavelength side is constructed, and an ICCD is connected via the optical fiber 17 and the spectroscope 4. Light was received by the camera 5. The diameter of the condensed first laser beam 11 is about 0.5 mm, and since there is a variation in the salinity concentration depending on the irradiation position, a plurality of places are irradiated, and the integrated average of the emission intensity for each irradiation is obtained to obtain the concentration. Compared with. For this purpose, the metal plate 6 was moved during irradiation using the moving stage 20, and light emission was measured while changing the position for each irradiation. This time, the average of 20 shots of light emission intensity was averaged by the personal computer 18 in one measurement.

本実験では、霧状に均一に人工海水(成分は表1参照)が噴霧されたSUS304Lを使用した。図5に噴霧されたSUS304Lの全体写真とレーザー照射箇所の様子を示す。SUS304Lは、移動しながらレーザーにより照射されるため、図のような横一列の照射痕が1回の計測に相当する。   In this experiment, SUS304L in which artificial seawater (see Table 1 for ingredients) was sprayed uniformly in a mist was used. FIG. 5 shows the entire photograph of SUS304L sprayed and the state of the laser irradiation spot. Since SUS304L is irradiated with a laser while moving, a horizontal row of irradiation marks as shown corresponds to one measurement.

計測方法は、後述のとおりレーザー1のみを用いる方法(シングルパルス)とレーザー1と2を同時に用いる方法(ダブルパルス)をそれぞれ行った。 As described below, a method using only the laser 1 (single pulse) and a method using the lasers 1 and 2 simultaneously (double pulse) were performed as described later.

(実験結果)
図6および図7にレーザー照射後の様子を示す。塩分は、レーザー光の周辺付近を中心に除去されている。
(Experimental result)
6 and 7 show the state after laser irradiation. Salinity is removed around the periphery of the laser beam.

一般的に、アブレーションにより生成されたプラズマは可視光全域にわたる白色光を発することが知られている。そのため、測定された発光スペクトルは各元素が励起されることにより放出される光と、白色光の足し合わせになる。また、白色光強度は測定ごとに異なるため、ショットごとにバックグラウンドを考慮する必要がある。そこで、スペクトルピーク近傍のバックラインを基準にして線形近似したベースラインを決定し、各元素に起因する発光強度を図8のように評価した。また、発光スペクトルから強度を求める際に、平滑化のためにスペクトルを単純移動平均(11点,約0.3nm相当)した。   In general, it is known that plasma generated by ablation emits white light over the entire visible light range. Therefore, the measured emission spectrum is the sum of light emitted by exciting each element and white light. Further, since the white light intensity varies from measurement to measurement, it is necessary to consider the background for each shot. Therefore, a baseline that was linearly approximated based on the back line near the spectrum peak was determined, and the emission intensity attributable to each element was evaluated as shown in FIG. Further, when obtaining the intensity from the emission spectrum, the spectrum was subjected to a simple moving average (11 points, corresponding to about 0.3 nm) for smoothing.

(シングルパルス計測結果)
シングルパルス計測では、図9のようにレーザー1を照射してから1.7msec後にICCDカメラのシャッターを500nsec間開放して発光を計測した。
(Single pulse measurement result)
In the single pulse measurement, as shown in FIG. 9, the light emission was measured by opening the shutter of the ICCD camera for 500 nsec after 1.7 msec from the laser 1 irradiation.

495nm 〜525nmの波長域における発光スペクトルを図10に示す。塩分が付着していないSUS304Lにレーザーを照射した際に得られる発光スペクトルから、クロム(Cr)の輝線(495.48nm,520.60nm)を計測した。これは、若干SUS304LがアブレーションされたことによりCrが励起されたことが原因と考えられる。塩分が付着した場合では、さらにマグネシウム(Mg)の輝線(517.19nm,518.36nm)を計測した。その他の元素の輝線が確認されなかったのは、濃度が低かったためバックグラウンドレベル程度の発光しか得られなかったからと考えられる。830nm〜850nmの波長域では、酸素(O)の輝線(844.60nm)を計測した。Oの輝線が観測されるのは、アブレーションにより生成されたプラズマによって空気中のOが励起されたと考えられる。また、塩分が付着した場合では、塩素(Cl)の輝線(833.31nm,837.59nm)を計測した。シングルパルスの結果より、表2に示す通りSUS304Lおよび付着した塩分、空気からの発光スペクトルが得られることがわかった。   An emission spectrum in a wavelength range of 495 nm to 525 nm is shown in FIG. The emission line of chromium (Cr) (495.48 nm, 520.60 nm) was measured from the emission spectrum obtained when SUS304L with no salt content was irradiated with laser. This is considered to be because Cr was excited by ablation of SUS304L. In the case where salt was attached, the emission line of magnesium (Mg) (517.19 nm, 518.36 nm) was further measured. The reason why the emission lines of other elements were not confirmed is considered to be that only the light emission of the background level was obtained because the concentration was low. In the wavelength range of 830 nm to 850 nm, an oxygen (O) emission line (844.60 nm) was measured. It is considered that the O emission line is observed because O in the air was excited by the plasma generated by ablation. In the case where salt adhered, chlorine (Cl) emission lines (833.31 nm, 837.59 nm) were measured. From the results of the single pulse, it was found that emission spectra from SUS304L, adhering salt and air were obtained as shown in Table 2.

次に、濃度の異なるSUS304Lに対してレーザーを照射して得られた発光スペクトルを図12および図13に示す。一般的に、濃度の高い元素ほど発光強度が高くなるが、830nm 〜850nmの波長域では、逆に濃度が高いほど発光強度は顕著に低くなった。   Next, emission spectra obtained by irradiating laser to SUS304L having different concentrations are shown in FIGS. In general, the higher the concentration, the higher the emission intensity. However, in the wavelength range of 830 nm to 850 nm, the higher the concentration, the lower the emission intensity.

図14および図15、図16にClとMgおよびCrの発光強度の濃度依存性を示す。図中のエラーバーは、5回の測定の標準偏差を表している。濃度0.0 g/mではClとMgが存在しないため発光はバックグラウンドレベルであるが、0.1 g/mから顕著に発光強度が高くなるため、0.1 g/m程度の感度はあると評価できる。そして、濃度が高いほど発光強度は低下して0.8g/m以上で飽和する傾向にある。Mgの発光強度がClのそれに比べて100倍程度高いのは、励起されるClのエネルギー準位が高いためである。ClとMgの発光強度の濃度依存性が若干異なるのは、プラズマの密度、温度により各元素の励起される原子数が変化するためと考えられる。ClやMgに対して、Crの発光強度は0.1g/mを除いてほぼ濃度に対して減少傾向である。 14, 15, and 16 show the concentration dependency of the emission intensity of Cl, Mg, and Cr. Error bars in the figure represent the standard deviation of five measurements. Although light emission due to the absence of a concentration 0.0 g / m 2 in Cl and Mg is the background level, the higher is significantly emission intensity from 0.1 g / m 2, 0.1 g / m 2 approximately It can be evaluated that there is sensitivity. And the higher the concentration, the lower the emission intensity and the tendency to saturate at 0.8 g / m 2 or more. The reason why the emission intensity of Mg is about 100 times higher than that of Cl is because the energy level of excited Cl is high. The reason why the concentration dependence of the emission intensity of Cl and Mg is slightly different is considered to be because the number of excited atoms of each element changes depending on the plasma density and temperature. With respect to Cl and Mg, the emission intensity of Cr tends to decrease with respect to the concentration except for 0.1 g / m 2 .

(ダブルパルス計測結果)
シングルパルスの結果を踏まえ、アブレーション効率が下げずにかつ、SUS304Lへの損傷を低減させたままで計測が可能と思われるダブルパルス計測を実施した。本手法はアブレーションさせるためのレーザー光とは別のレーザー光を用いて、SUS304L手前にて空気を電離させプラズマ(以降、エアプラズマ)を生成させる。アブレーションされた元素はエアプラズマにより励起されるため、発光強度が高くなることが期待できる。
ダブルパルスでは、図17のようにレーザー1を照射してから2.0 msec後にレーザー2を照射し、更に1.7msec後にICCDカメラのシャッターを500nsec間開放して発光を計測した。
(Double pulse measurement result)
Based on the results of the single pulse, double pulse measurement was performed that would allow measurement without reducing the ablation efficiency and reducing damage to SUS304L. In this method, a laser beam different from the laser beam for ablation is used to ionize air before SUS304L to generate plasma (hereinafter, air plasma). Since the ablated element is excited by air plasma, it can be expected that the emission intensity is increased.
In the double pulse, the laser 2 was irradiated 2.0 msec after the laser 1 was irradiated as shown in FIG. 17, and the light emission was measured by opening the shutter of the ICCD camera for 500 nsec after another 1.7 msec.

ダブルパルス計測時の発光スペクトルを図19および図18に示す。シングルパルス計測と同様のスペクトルが得られるが、シングルパルス計測と比較して発光強度が高い。また、エアプラズマが生成されるためOの発光強度が他の輝線よりも相対的に高くなる。
図20および図21に発光スペクトルの濃度依存性を示す。図21より、濃度が高くなるとともにOの発光強度が低下する一方、ClやMg, Crの発光強度は高くなる。
The emission spectrum at the time of double pulse measurement is shown in FIG. 19 and FIG. A spectrum similar to that of single pulse measurement is obtained, but the emission intensity is higher than that of single pulse measurement. Further, since air plasma is generated, the emission intensity of O is relatively higher than other emission lines.
20 and 21 show the concentration dependence of the emission spectrum. As shown in FIG. 21, as the concentration increases, the emission intensity of O decreases while the emission intensity of Cl, Mg, and Cr increases.

図22にClの発光強度の濃度依存性を示す。シングルパルス計測と異なり、発光強度は濃度に比例する。このことは、図23のとおりMgの発光強度でも同様である。濃度0.1 g/mの場合の発光強度は濃度 0.0 g/mと比較して3倍程度高いため、本計測方法は濃度0.1g/m程度の感度があるといえる。また、ClおよびMgの発光強度の濃度依存性は、濃度0.8g/m以上に手やや飽和傾向にある。一方、Crの発光強度は図24のように0.0,1.0g/mを除いて一定である。また、図25に示すように、計測対象となる付着微量成分を示す発光線例えば塩分の場合の塩素を示す発光線(833.31nm)の発光強度の酸素の発光線の発光強度に対する比と付着微量成分濃度との相関関係を求めると、グラフの線形性が向上した。そこで、計測時の付着微量成分の発光強度の酸素の発光線の発光強度に対する比から付着微量成分濃度の定量化評価ができるとの知見を得た。これから、付着微量成分の測定の指標として選択した元素と付着微量成分の付着濃度との相関がより精度良く求められるので、濃度の定量化が精度の良いものとなる。 FIG. 22 shows the concentration dependence of the emission intensity of Cl. Unlike single pulse measurement, the emission intensity is proportional to the concentration. This is the same for the emission intensity of Mg as shown in FIG. Since the emission intensity at a concentration of 0.1 g / m 2 is about three times higher than that at a concentration of 0.0 g / m 2, it can be said that this measurement method has a sensitivity of a concentration of about 0.1 g / m 2. . The concentration dependency of the emission intensity of Cl and Mg tends to be slightly saturated at a concentration of 0.8 g / m 2 or more. On the other hand, the light emission intensity of Cr is constant except for 0.0 and 1.0 g / m 2 as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 25, the ratio of the emission intensity of the emission line indicating the trace component to be measured, for example, the emission line (833.31 nm) indicating chlorine in the case of salinity, to the emission intensity of the emission line of oxygen. When the correlation with the trace component concentration was obtained, the linearity of the graph was improved. Therefore, the inventors have obtained the knowledge that the concentration of adhering trace components can be quantified from the ratio of the emission intensity of the adhering trace component to the emission intensity of the oxygen emission line at the time of measurement. From this, since the correlation between the element selected as the measurement index of the attached trace component and the attached concentration of the attached trace component can be obtained with higher accuracy, the concentration can be quantified with higher accuracy.

次いで、シングルパルスおよびダブルパルス計測結果の結果から示唆されるアブレーションの様相と定量測定に関係する発光強度の濃度依存性について検討する。
パルスレーザーの照射により金属表面の付着物質をアブレーションする本発明では、測定対象を完全にプラズマ化もしくは励起することにより濃度測定を行うことが可能である。しかし本実験の場合、SUS304Lへの損傷を低減するために、レーザー光強度を下げる必要がある。その結果、濃度が高い場合はレーザー光の強度が低いことにより、アブレーション効率が下がり、発光強度と濃度とに比例関係が見られないことが結果より示唆される。一方、ダブルパルスの結果では発光強度と濃度とに比例関係が見られる。このことから、シングルパルス計測にて発光強度と濃度が比例しなかったのは、レーザーにより全ての粒子が励起されていないことが原因と考えられる。本実験の条件ではレーザー光強度が低いため、図26に示すようにレーザーによりはじき出された粒子のうちの一部はプラズマ化しないと考えられる。このような粒子は、濃度の上昇とともに増加するので図27のように相対的に発光強度が低下してしまう。一方、エアプラズマがアブレーションされた粒子を全て励起させると仮定すると、ダブルパルスの場合はそれらの粒子も全て励起させるため、発光強度が濃度に比例すると考えられる。このことから、SUS304Lへの損傷を低減させずに濃度を測定するためには、ダブルパルスが適切であるといえる。
Next, the ablation aspect suggested from the results of the single pulse and double pulse measurement results and the concentration dependence of the emission intensity related to the quantitative measurement are examined.
In the present invention in which the adhered substance on the metal surface is ablated by irradiation with a pulse laser, it is possible to measure the concentration by completely plasmaizing or exciting the measurement target. However, in the case of this experiment, in order to reduce damage to SUS304L, it is necessary to reduce the laser beam intensity. As a result, when the concentration is high, the ablation efficiency is lowered due to the low intensity of the laser beam, and the results suggest that there is no proportional relationship between the emission intensity and the concentration. On the other hand, the double pulse results show a proportional relationship between the emission intensity and the concentration. From this, it is considered that the reason why the emission intensity and the concentration were not proportional in the single pulse measurement was that all particles were not excited by the laser. Since the laser light intensity is low under the conditions of this experiment, it is considered that some of the particles ejected by the laser do not become plasma as shown in FIG. Since such particles increase as the concentration increases, the emission intensity decreases relatively as shown in FIG. On the other hand, if it is assumed that all particles ablated with air plasma are excited, in the case of a double pulse, all these particles are also excited, and it is considered that the emission intensity is proportional to the concentration. From this, it can be said that the double pulse is appropriate for measuring the concentration without reducing the damage to SUS304L.

一方、シングルパルス計測は、最も計測システムが単純であり、濃度0.1 g/m程度の感度があると評価できる。しかし、発光強度と塩分濃度とに比例関係が見られなくなるため、定量測定を行うのが困難である。ダブルパルス計測も同様に、発光強度が濃度に対して線形ではなくやや飽和する傾向にある。定量測定を精度良く行うには、図25のグラフに示すような、計測対象となる付着微量成分を示す発光線の発光強度の酸素の発光線の発光強度に対する比と付着微量成分濃度との相関関係を求めて発光強度と濃度とに線形性が見られるようにすることが好ましい。また、金属表面のレーザー照射面とレーザー光伝送用光学系と発光計測用光学系とを含む光伝送部内を、少なくともレーザー照射時に真空化することにより、空気のプラズマ化を抑制して付着微量成分のプラズマのみを発生させることによっても、計測精度を向上させうる。 On the other hand, single pulse measurement has the simplest measurement system and can be evaluated as having a sensitivity of a concentration of about 0.1 g / m 2 . However, since a proportional relationship between the emission intensity and the salinity concentration is not observed, it is difficult to perform quantitative measurement. Similarly, in the double pulse measurement, the emission intensity tends to be slightly saturated rather than linear with respect to the concentration. In order to perform quantitative measurement with high accuracy, as shown in the graph of FIG. 25, the correlation between the ratio of the emission intensity of the emission line indicating the attached trace component to be measured to the emission intensity of the emission line of oxygen and the concentration of the attached trace component It is preferable to obtain a linear relationship between the emission intensity and the concentration by obtaining the relationship. In addition, the inside of the light transmission part including the laser irradiation surface of the metal surface, the optical system for laser light transmission, and the optical system for light emission measurement is evacuated at least during the laser irradiation, thereby suppressing the formation of air plasma and the trace components attached The measurement accuracy can be improved by generating only the plasma.

他方、塩分濃度が同じであっても、濃度に相当する発光強度が、空気雰囲気(温度や組成)によって変化することが考えられる。また、SUSの温度によりアブレーションされる量が変化するため、常温での測定と比較して感度に違いが見られることが予想される。その場合には、キャスク内に濃度が既知のサンプルを設置して感度補正を行うか、予め発光強度の特徴各種パラメータの依存性を明らかにする必要がある。   On the other hand, even if the salinity concentration is the same, the emission intensity corresponding to the concentration may vary depending on the air atmosphere (temperature and composition). In addition, since the amount of ablation varies depending on the temperature of SUS, it is expected that a difference in sensitivity will be seen compared to measurement at room temperature. In that case, it is necessary to correct the sensitivity by installing a sample with a known concentration in the cask, or to clarify the dependence of various characteristics of the emission intensity in advance.

以上、パルスレーザーの照射により金属表面の付着物質をアブレーションする本発明による表面塩分濃度の非接触測定を行った結果、シングルパルスおよびダブルパルス計測の両方法において表面塩分濃度0.1 g/m程度の塩素に対する測定感度があることが確認された。また、SUS304Lへの損傷を低減させるためにレーザー光強度を下げて実験を行った結果、シングルパルス計測では発光強度と濃度とに比例関係が見られなかったが、濃度0.1 g/m程度の感度があることが判明した。一方、ダブルパルス計測では両者がほぼ比例関係であり、感度補正などを考慮することにより、濃度の定量測定を行うことが可能であることが判明した。 As a result of the non-contact measurement of the surface salinity concentration according to the present invention in which the adhered substance on the metal surface is ablated by pulse laser irradiation, the surface salinity concentration is 0.1 g / m 2 in both the single pulse and double pulse measurement methods. It was confirmed that there was a measurement sensitivity to a certain degree of chlorine. In addition, as a result of performing an experiment with the laser beam intensity lowered to reduce damage to SUS304L, the single pulse measurement did not show a proportional relationship between the emission intensity and the concentration, but the concentration was 0.1 g / m 2. It was found that there was a degree of sensitivity. On the other hand, in the double pulse measurement, both are in a proportional relationship, and it has been found that the concentration can be quantitatively measured by taking sensitivity correction into consideration.

1 第1のレーザー
2 第2のレーザー
3 時間差を与えるコントローラ
4 分光装置
5 ゲート機能を有する受光素子(ICCDカメラ)
6 検査対象となる微量成分が付着した金属表面
11 第1のレーザー光
12 第2のレーザー光
13 発光
17 光ファイバ
18 パソコン
19 アブレーションプルーム
21 解析装置
22 光ファイバー
23 中空管
24 照射部
25 スコー部駆動系
26 コンクリートキャスク
27 狭隘部
28 ゴム
29 反射ミラー(レーザー光の波長にのみ依存する)
30 全反射ミラー(波長に依存しない)
31 レーザー光伝送用光ファイバー
32 発光計測用光ファイバ
36 走行手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st laser 2 2nd laser 3 Controller which gives time difference 4 Spectrometer 5 Light-receiving element (ICCD camera) which has a gate function
6 Metal surface to which a trace component to be inspected is attached 11 First laser beam 12 Second laser beam 13 Light emission 17 Optical fiber 18 Personal computer 19 Ablation plume 21 Analyzing device 22 Optical fiber 23 Hollow tube 24 Irradiation unit 25 Scoring unit drive System 26 Concrete cask 27 Narrow part 28 Rubber 29 Reflecting mirror (depends only on the wavelength of the laser beam)
30 Total reflection mirror (independent of wavelength)
31 Optical fiber for laser light transmission 32 Optical fiber for light emission measurement 36 Traveling means

Claims (21)

狭隘な空間に面している金属表面に付着している微量成分の濃度を計測する方法において、前記狭隘な空間の外に少なくともレーザーと分光手段と受光素子及び前記レーザーと前記受光素子を制御するコントローラを備える濃度計測装置本体を配置し、前記狭隘な空間に前記金属表面に沿って挿入される光伝送部を介して前記金属表面にレーザー光を照射して付着物質をアブレーションすると共にプラズマ化し、前記プラズマ化された物質からの発光を前記光伝送部を介して前記狭隘な空間の外の前記分光手段に導いて分光すると共に受光素子で発光スペクトルを得ることにより、前記金属表面に付着する微量成分を特定すると共に当該微量成分の濃度を求める金属表面付着成分の濃度計測方法。   In a method for measuring the concentration of a trace component adhering to a metal surface facing a narrow space, at least the laser, the spectroscopic means, the light receiving element, and the laser and the light receiving element are controlled outside the narrow space. A concentration measuring device main body having a controller is arranged, and the metal surface is irradiated with laser light via an optical transmission unit inserted along the metal surface in the narrow space, and the adhered substance is ablated and converted into plasma, Light emitted from the plasma substance is guided to the spectral means outside the narrow space through the light transmission unit and dispersed, and an emission spectrum is obtained by a light receiving element, so that a minute amount attached to the metal surface. A method for measuring the concentration of a component adhering to a metal surface that determines the concentration of the trace component while specifying the component. 前記金属表面は使用済み燃料を収容する金属製キャニスタの外表面であり、前記狭隘な空間は前記金属製キャニスタを収容するコンクリートキャスクの内周面との間で形成されるものであることを特徴とする請求項記載の金属表面付着成分の濃度計測方法。 The metal surface is an outer surface of a metal canister that houses spent fuel, and the narrow space is formed between an inner peripheral surface of a concrete cask that houses the metal canister. The method for measuring the concentration of a metal surface adhesion component according to claim 1 . 前記金属製キャニスタの外表面に照射するレーザー光の照射部を支持する走行手段を前記金属製キャニスタの外表面と前記コンクリートキャスクの内周面との間に設け、前記照射部と前記金属製キャニスタの外表面との間隔を一定に維持することを特徴とする請求項記載の金属表面付着成分の濃度計測方法。 A traveling means for supporting a laser beam irradiating portion for irradiating the outer surface of the metal canister is provided between the outer surface of the metal canister and the inner peripheral surface of the concrete cask, and the irradiating portion and the metal canister. The method for measuring the concentration of a component adhering to a metal surface according to claim 2 , wherein the distance from the outer surface of the metal is kept constant. 前記微量成分は塩分であることを特徴とする請求項1からのいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測方法。 The method for measuring the concentration of a metal surface adhering component according to any one of claims 1 to 3 , wherein the trace component is a salt content. 前記塩分の検出には、837.59nmの塩素の発光線、517.26 nmのマグネシウムの発光線、518.36 nmのマグネシウムの発光線、833.31 nmの塩素の発光線のいずれかを用いることを特徴とする請求項記載の金属表面付着成分の濃度計測方法。 The salt detection uses any one of 837.59 nm chlorine emission line, 517.26 nm magnesium emission line, 518.36 nm magnesium emission line, and 833.31 nm chlorine emission line. 4. A method for measuring the concentration of a component adhering to a metal surface according to 4 . 前記パルス状のレーザー光の照射は複数回行われることを特徴とする請求項1からのいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測方法。 The concentration measuring method of the metal surface adhesion component according to claim 1, any one of the 5, characterized in that irradiation of the pulsed laser beam is performed multiple times. 前記パルス状のレーザー光の照射は、前記金属表面に向けて照射し前記金属表面に付着している微量成分をアブレーションさせる第1のステップと、前記アブレーションにより形成されたプラズマに向けて前記金属表面と平行に照射され前記第1のステップで励起されなかった粒子を励起する第2のステップとで構成されることを特徴とする請求項記載の金属表面付着成分の濃度計測方法。 Irradiation of the pulsed laser beam includes a first step of ablating a trace component adhering to the metal surface and adhering to the metal surface, and the metal surface toward the plasma formed by the ablation. 7. A method for measuring a concentration of a metal surface adhering component according to claim 6 , comprising: a second step of exciting particles that are irradiated in parallel with each other and that are not excited in the first step. 前記第1のステップで照射するレーザー光は前記第2のステップで照射するレーザー光よりも弱く、少なくとも計測対象となる付着微量成分を前記金属表面からはじき出すのに十分なものであり、前記第2のステップで照射するレーザー光は前記第1のステップではじき出された前記付着微量成分を励起して発光させるに十分なものであることを特徴とする請求項に記載の金属表面付着成分の濃度計測方法。 The laser beam irradiated in the first step is weaker than the laser beam irradiated in the second step, and is sufficient to eject at least the attached trace component to be measured from the metal surface. The concentration of the metal surface adhesion component according to claim 7 , wherein the laser light irradiated in the step is sufficient to excite and emit light of the attached trace component ejected in the first step. Measurement method. 計測対象となる前記付着微量成分を示す発光線の発光強度の酸素の発光線の発光強度に対する比と前記付着微量成分濃度との相関関係を求め、計測時の前記付着微量成分の発光強度の酸素の発光線の発光強度に対する比から前記付着微量成分濃度を求めることを特徴とする請求項1からのいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測方法。 Obtain the correlation between the ratio of the emission intensity of the emission line indicating the attached trace component to be measured to the emission intensity of the emission line of oxygen and the concentration of the attached trace component, and determine the oxygen intensity of the attached trace component at the time of measurement. 9. The method for measuring a concentration of a component adhering to a metal surface according to any one of claims 1 to 8 , wherein the concentration of the adhering trace component is obtained from a ratio of the emission line to the emission intensity. プラズマ化された物質からの発光の計測とその直前のレーザー光の照射との間に1μs〜10μsの時間差を与えるものである請求項1からのいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測方法。 Of light emitted from the plasma substance measured to a metal surface adhesion component according to any one of claims 1-9 it is intended to provide a time difference 1μs~10μs between irradiation of the immediately preceding laser beam Concentration measurement method. 前記第1のステップで照射するレーザー光と前記第2のステップで照射するレーザー光との間に0.5μs〜5μsの時間差を与えるものである請求項から10のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測方法。 According to any one of claims 7 10 is intended to provide a time difference 0.5μs~5μs between the laser light provided by the first laser light and the second step of irradiating at step Concentration measurement method for metal surface adhesion components. 狭隘な空間に面している金属表面に付着している微量成分の濃度を計測する装置において、少なくともレーザーと分光手段と受光素子及び前記レーザーと前記受光素子を制御するコントローラを備え前記狭隘な空間の外に配置される濃度計測装置本体と、レーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とを含み前記狭隘な空間に前記金属表面に沿って挿入される光伝送部とを備え、前記光伝送部を介して前記金属表面にレーザー光を照射して付着物質をアブレーションすると共にプラズマ化し、前記プラズマ化された物質からの発光を前記光伝送部を介して前記狭隘な空間の外の前記分光手段に導いて分光すると共に前記受光素子で発光スペクトルを得ることにより、前記金属表面に付着する微量成分を特定すると共に当該微量成分の濃度を求める金属表面付着成分の濃度計測装置。   An apparatus for measuring the concentration of a trace component adhering to a metal surface facing a narrow space, comprising at least a laser, a spectroscopic means, a light receiving element, and a controller for controlling the laser and the light receiving element. A concentration measuring device main body arranged outside, an optical transmission system that includes a laser light transmission optical system and a light emission measurement optical system, and is inserted along the metal surface into the narrow space, The metal surface is irradiated with laser light through the light transmission unit to ablate the adhering substance and turn into plasma, and light emitted from the plasmaized substance is emitted outside the narrow space through the light transmission unit. By guiding the spectroscopic means to perform spectroscopic analysis and obtaining an emission spectrum by the light receiving element, the trace component adhering to the metal surface is identified and the concentration of the trace component Device for measuring the concentration of a metal surface adhering component to be obtained. 前記金属表面は使用済み燃料を収容する金属製キャニスタの外表面であり、前記狭隘な空間は前記金属製キャニスタを収容するコンクリートキャスクの内周面との間で形成されるものであることを特徴とする請求項12記載の金属表面付着成分の濃度計測装置。 The metal surface is an outer surface of a metal canister that houses spent fuel, and the narrow space is formed between an inner peripheral surface of a concrete cask that houses the metal canister. The concentration measuring device for a metal surface adhering component according to claim 12 . 前記金属製キャニスタの外表面と前記コンクリートキャスクの内周面との間に設けられ、前記レーザー光伝送用の光学系の照射部を支持すると共に、前記照射部と前記金属製キャニスタの外表面との間隔を一定に維持する走行手段を備えることを特徴とする請求項13記載の金属表面付着成分の濃度計測装置。 Provided between the outer surface of the metal canister and the inner peripheral surface of the concrete cask, and supports the irradiation part of the optical system for laser light transmission, and the irradiation part and the outer surface of the metal canister The metal surface adhesion component concentration measuring apparatus according to claim 13, further comprising traveling means for maintaining a constant distance between the metal surface adhesion component and the metal surface adhesion component. 前記レーザは前記被検査金属表面にレーザー光を照射して付着物質をアブレーションする第1のレーザーと、前記第1のレーザー光でアブレーションされた物質にレーザー光を照射してプラズマ化する第2のレーザーとから成り、前記コントローラは前記第1レーザー、第2レーザー及び前記受光素子のゲート開放開始時間との間の時間差を制御するものである請求項12から14のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測装置。 The laser irradiates the surface of the metal to be inspected with laser light to ablate the adhered substance, and the second laser irradiates the material ablated with the first laser light to form plasma. It consists of a laser, the controller first laser, a metal according to any one of claims 12 to 14 is to control the time difference between the gate opening start time of the second laser and the light receiving element Concentration measuring device for surface adhesion components. 前記光伝送部は中空管であり、レーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とを内蔵すると共に前記金属表面に対向する先端開口部に前記金属表面と密着するシール部材が具備されており、レーザー照射時に、前記シール部材と前記金属表面とが密着することで、照射点を固定すると同時に中空管内を減圧可能とするものである請求項12から14のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測装置。 The light transmission portion is a hollow tube, and includes a sealing member that has a built-in optical system for laser light transmission and an optical system for light emission measurement, and is in close contact with the metal surface at a tip opening facing the metal surface. are, at the time of laser irradiation, wherein said sealing member and said by the metal surface are in close contact, any one of claims 12 to 14 is a hollow tube at the same time fixing the irradiation point that allows vacuum Concentration measuring device for metal surface adhesion components. 前記レーザー光伝送用の光学系と発光計測用の光学系とは、光ファイバであり、各光ファイバの先端面が前記金属表面と対向するように配置されているものである請求項16に記載の金属表面付着成分の濃度計測装置。 Wherein and the optical system for the light emission measuring optical system of the laser light for transmission, an optical fiber, according to claim 16 in which the distal end surface of each optical fiber is disposed so as to face the metal surface Concentration measuring device for metal surface adhesion components. 前記中空管には、集光用レンズと、レーザー光の波長のみを反射しレーザー光を前記金属表面に照射する波長選択型ミラーとを有するレーザー光伝送用の光学系と、金属表面に付着する微量成分のアブレーションにより生じたプラズマ発光を前記波長選択型ミラーの背後に配置され前記波長選択型ミラーを透過したプラズマ発光を反射させる波長に依存しない反射ミラーを備える発光計測用の光学系とを備え、前記中空管内をレーザー光とプラズマの発光とが伝搬されることを特徴とする請求項16記載の金属表面付着成分の濃度計測装置。 The hollow tube is attached to the metal surface with a condensing lens, an optical system for laser light transmission having a wavelength selective mirror that reflects only the wavelength of the laser light and irradiates the metal surface with the laser light. An optical system for light emission measurement comprising a reflection mirror that is arranged behind the wavelength selective mirror and reflects the plasma emission that has been transmitted through the wavelength selective mirror and that is independent of the wavelength. The metal surface adhesion component concentration measuring device according to claim 16 , further comprising: a laser beam and plasma emission propagating through the hollow tube. 前記光伝送部は、レーザー光伝送用の光ファイバと、発光計測用の光ファイバとから成り、各光ファイバの先端面が前記金属表面と対向するように配置されているものである請求項12から14のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測装置。 The optical transmission unit is composed of an optical fiber for laser beam transmission, the optical fiber for emission measurement, claim 12 distal end face of each optical fiber is one that is arranged so as to face the metal surface To 14. The concentration measuring device for a metal surface adhesion component according to any one of 1 to 14 . 前記受光素子のゲート開放開始とその直前のレーザー光の照射との間に1μs〜10μsの時間差を与えるものである請求項12から19のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測装置。 Device for measuring the concentration of the metal surface adhesion component according to any one of claims 12 to 19 is intended to provide a time difference 1μs~10μs between the gate opening initiation and irradiation of the immediately preceding laser beam of the light receiving element . 前記第1のステップで照射するレーザー光と前記第2のステップで照射するレーザー光との間に0.5μs〜5μsの時間差を与えるものである請求項12から20のいずれか1つに記載の金属表面付着成分の濃度計測装置。 According to any one of claims 12 to 20 is intended to provide a time difference 0.5μs~5μs between the laser light provided by the first and the second step the irradiated laser beam in step Concentration measuring device for metal surface adhesion components.
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