JP7116420B2

JP7116420B2 - 組成分析方法及び組成分析装置、硬度算出方法及び硬度算出装置

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Publication number: JP7116420B2
Application number: JP2018199316A
Authority: JP
Inventors: 雄太阿部; 俊男中桐; 智彦川上; 航大岡▲崎▼
Original assignee: Kaken Co Ltd; Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Kaken Co Ltd; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2022-08-10
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: JP2020067337A

Description

特許法第３０条第２項適用平成３０年５月１２日公開第７８分析化学討論会の案内［刊行物等］第７８分析化学討論会のプログラム（一部）［刊行物等］第７８分析化学討論会の予稿（Ｂ１００１）のコピー［刊行物等］第７８分析化学討論会の予稿（Ｂ１００３）のコピー

本発明は、金属を主成分とする材料中におけるホウ素（Ｂ）と酸素（Ｏ）の組成を調べる組成分析方法、組成分析装置、及びこれらを用いたこの材料の硬度算出方法、硬度算出装置に関する。

各種の金属を主成分とした素材の硬度を算出するためには、この素材を抽出して機械的な方法で硬度を調べることが一般的に行われている。原子炉を構成する核燃料や制御棒等が事故等によって溶融、再固化することによって生成された燃料デブリについても、その処理をするに際しては硬度に関する情報が重要である。しかしながら、燃料デブリの一部を抽出してその硬度を機械的に調べることは、燃料デブリが存在する環境や自身が発する放射線のために実際には非常に困難である。

また、燃料デブリには、制御棒として用いられる炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）が含まれるため、ホウ素（Ｂ）が多く含まれる。また、同様に多く含まれる元素として酸素（Ｏ）がある。燃料デブリの各種の特性は金属材料に対するＢ、Ｏの組成比の影響を特に大きく受ける。このため、燃料デブリ中のＢ、Ｏ組成を調べることも有効であるが、上記と同様の理由により、この分析も試料と非接触で行うことが必要となる。

一般的に金属を主成分とする材料中のＢ、Ｏの組成を精密に調べるための手法としては、各種のものがあり、例えば、ＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）やＩＣＰ－ＭＳ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ－ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）が知られている。ただし、ＥＰＭＡにおいては、金属元素とＯの組成を精密に求めることができるが、原子番号の小さなホウ素の組成を精密に求めることは困難である。一方、ＩＣＰ－ＭＳにおいては、金属元素とＢの組成を精密に求めることができるが、他の元素と共に同様にプラズマ化することが困難な酸素の組成を精密に求めることは困難である。更に、ＥＰＭＡ、ＩＣＰ－ＭＳのどちらにおいても、小規模ながら分析用の試料を取り出す必要があるため、少なくとも非接触で組成の分析を行うことは困難である。

一方、ＬＩＢＳ（ＬａｓｅｒＩｎｄｕｃｅｄＢｒｅａｋｄｏｗｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）は、非破壊ではないが遠隔した場所からレーザー光を照射して試料をプラズマ化し、このプラズマからの発光スペクトルを分析することによって組成分析を行うため、非接触かつその場で試料の組成分析が可能である。また、ＬＩＢＳにおける一定の波長域における発光スペクトルは１回のレーザー光の照射によって取得可能であるため、この測定を試料における複数の箇所で行い、非接触で組成のマッピング結果を得ることも容易である。ＬＩＢＳを用いた組成の算出方法は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２０１４－１１９４５７号公報

しかしながら、ＬＩＢＳを用いた場合でも、Ｏ、Ｂの発光ピークは、そのピーク強度が低い、あるいはその波長が金属元素の発光ピークの波長と近いという問題があるため、金属材料中のＯ、Ｂの組成を精密に算出することは困難であった。

このため、金属を主成分とする材料中のＯ、Ｂの組成や材料の硬度を非接触で精密に算出できることが望まれた。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の組成分析方法は、試料における金属元素に対するホウ素（Ｂ）及び酸素（Ｏ）の組成比を算出する組成分析方法であって、レーザー誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ）によって前記試料をプラズマ化し、当該プラズマからの発光スペクトルを取得する発光スペクトル取得工程と、前記発光スペクトルにおける、前記金属元素に対応するピークの強度である第１の強度と、２０８．９ｎｍの波長に対応するホウ素（Ｂ）の単一のピークの強度である第２の強度と、酸素（Ｏ）の複数のピークが含まれる７７６．８ｎｍ～７７７．８ｎｍの波長帯の平均強度である第３の強度と、を算出し、前記第２の強度の前記第１の強度の対する比率であるＢ／Ｍ値から前記試料におけるホウ素（Ｂ）の前記金属元素に対する組成比を、前記第３の強度の前記第１の強度に対する比率であるＯ／Ｍ値から前記試料における酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比を、それぞれ算出する分析工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の組成分析方法は、前記発光スペクトル取得工程において、１回の測定により、前記金属元素に対応するピーク、前記２０８．９ｎｍの波長に対応するホウ素（Ｂ）の単一のピーク、及び前記酸素（Ｏ）の複数のピークが含まれる７７６．８ｎｍ～７７７．８ｎｍの波長帯、が含まれる波長範囲で前記発光スペクトルを取得することを特徴とする。
本発明の組成分析方法は、前記試料における複数の測定点において前記発光スペクトルを取得し、ホウ素（Ｂ）及び酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比を前記測定点毎に算出することを特徴とする。
本発明の組成分析方法は、前記第１の強度より、前記試料における前記金属元素の組成を算出することを特徴とする。
本発明の硬度算出方法は、前記組成分析方法を用いて前記試料におけるホウ素（Ｂ）の前記金属元素に対する組成比、及び前記試料における酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比、をそれぞれ算出することにより、前記試料の硬度を算出する硬度算出方法であって、前記金属元素、ホウ素（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含む模擬試料の硬度と、前記模擬試料におけるホウ素（Ｂ）の酸素（Ｏ）に対する組成比の前記金属元素の組成に対する比率との関係を、当該比率の増加に伴い前記硬度が増大する第１の領域と、当該比率の増加に伴い前記硬度が減少する第２の領域とに区分されるように、予め取得し、前記Ｂ／Ｍ値又は前記Ｏ／Ｍ値に基づき、前記試料が前記第１の領域、前記第２の領域のどちらに該当するかを判定し、前記第２の強度の前記第３の強度に対する比率の、前記第１の強度に対する比率である（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値を算出し、前記第１の領域、前記第２の領域のうちの前記試料が該当するとされた側における前記（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値より、前記硬度を算出することを特徴とする。
本発明の硬度算出方法において、前記試料は放射性物質を含有することを特徴とする。
本発明の組成分析装置は、試料における金属元素に対するホウ素（Ｂ）及び酸素（Ｏ）の組成比を前記試料が発する発光の発光スペクトルから算出する組成分析装置であって、前記発光スペクトルにおける、前記金属元素に対応するピークの強度である第１の強度と、２０８．９ｎｍの波長に対応するホウ素（Ｂ）の単一のピークの強度である第２の強度と、酸素（Ｏ）の複数のピークが含まれる７７６．８ｎｍ～７７７．８ｎｍの波長帯の平均強度である第３の強度と、を算出し、前記第２の強度の前記第１の強度の対する比率であるＢ／Ｍ値から前記試料におけるホウ素（Ｂ）の前記金属元素に対する組成比を、前記第３の強度の前記第１の強度に対する比率であるＯ／Ｍ値から前記試料における酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比を、それぞれ算出する解析部を具備することを特徴とする。
本発明の組成分析装置は、レーザー光を前記試料に対して発する光源と、前記レーザー光が照射された前記試料から前記発光スペクトルを入手する光検出器と、を具備し、前記解析部は、単一の前記発光スペクトルから前記試料におけるホウ素（Ｂ）の前記金属元素に対する組成比、及び前記試料における酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比を、それぞれ算出することを特徴とする。
本発明の硬度算出装置は、前記組成分析装置を用いて前記試料におけるホウ素（Ｂ）の前記金属元素に対する組成比、及び前記試料における酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比、をそれぞれ算出することにより、前記試料の硬度を算出する硬度算出装置であって、前記金属元素、ホウ素（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含む模擬試料の硬度と、前記模擬試料におけるホウ素（Ｂ）の酸素（Ｏ）に対する組成比の前記金属元素の組成に対する比率との関係を、当該比率の増加に伴い前記硬度が増大する第１の領域と、当該比率の増加に伴い前記硬度が減少する第２の領域とに区分されるように、予め取得されたデータを記憶する記憶部を具備し、前記解析部は、前記Ｂ／Ｍ値又は前記Ｏ／Ｍ値に基づき、前記試料が前記第１の領域、前記第２の領域のどちらに該当するかを判定し、前記第２の強度の前記第３の強度に対する比率の、前記第１の強度に対する比率である（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値を算出し、前記第１の領域、前記第２の領域のうちの前記試料が該当するとされた側における前記（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値と前記データより、前記硬度を算出することを特徴とする。
本発明の硬度算出装置において、前記解析部は、前記試料における複数の箇所で得られた前記発光スペクトルより、前記複数の箇所における前記硬度を算出することを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、金属を主成分とする材料中のＯ、Ｂの組成や材料の硬度を非接触で精密に算出できる。

本発明の実施の形態に係る組成分析方法を実行する組成分析装置（硬度算出装置）の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る組成分析方法で用いられる発光スペクトルの例である。実測されたＢ／Ｍ組成とＢ／Ｍ値の関係を調べた図である。実測されたＯ／Ｍ組成とＯ／Ｍ値の関係を調べた図である。複数の模擬試料における、ビッカース硬度と（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値の関係を調べた結果である。本発明の実施の形態に係る硬度算出方法を示すフローチャートの例である。

本発明の実施の形態に係る組成分析方法、硬度測定方法を実行する組成分析装置の構成を図１に示す。この組成分析装置１は、同時に、試料の高度を非接触で算出する硬度測定装置にもなっている。この組成分析方法はＬＩＢＳを用いるため、図１に示された構成は、通常知られるＬＩＢＳの分析装置と共通し、この構成は特許文献１に記載されたものと同様である。

ここでは、光源１０から発せられたレーザー光１００が照射光学系２０を介して試料Ｓの所望の箇所に照射される。この際に試料Ｓにおけるレーザー光１００に照射された狭い領域が気化、プラズマ化される。このプラズマから発せられた主に可視光域の発光（プラズマ発光２００）は検出光学系３０を介して光検出器４０で検出される。光検出器４０では所定の波長域におけるプラズマ発光２００のスペクトル強度が検出される。解析部５０は例えばパーソナルコンピュータであり、光源１０における光照射のタイミングと光検出器４０における検出タイミングを制御する。また、解析部５０は、照射光学系２０、検出光学系３０の制御も行い、試料Ｓにおけるレーザー光１００が照射される箇所を調整し、この箇所から発せられる発光を光検出器４０に適切に導くことができる。また、解析部５０には、組成や硬度を算出する際の各種のデータを記憶する記憶部６０が接続されている。

解析部５０においては、特に試料Ｓにおける金属元素（Ｆｅ、Ｚｒ等、以下ではＭと記載）、ホウ素（Ｂ）、酸素（Ｏ）の組成分析を行う。ここでは、上記の発光スペクトルから各組成の絶対値ではなく、Ｂ／Ｍ、Ｏ／Ｍ等に対応する組成比が求められる。図２は、この発光スペクトルの例であり、下段は２００～９００ｎｍの波長帯における発光スペクトル全体を示し、上段は、この中におけるＢ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｏの発光ピークに対応した部分を拡大した図である。ここで、分析対象となる金属元素（Ｚｒ、Ｆｅ）のピークにおける発光強度は高いため、その認識は容易であり、解析部５０において、対応するピークの強度を容易に算出することができる。このピーク強度としては、例えば、例えばガウス分布形状と仮定した単一のピークの積分強度をこのピーク強度（第１の強度）として算出することができる。具体的には、図２におけるＺｒに対しては３４３．５～３４４．１ｎｍの波長帯の発光強度の積分値をＺｒのピーク強度とすることができ、４３８．０～４３８．１ｎｍの波長帯の積分値をＦｅのピーク強度とすることができる。

Ｂのピークのうちで最も発光強度の高いピークの波長は２４９．６～２４９．８ｎｍであるが、その周辺には金属元素のピークが存在しているために、このピークの強度をこの金属元素の存在下で上記のＺｒやＦｅと同様に算出することは困難である。このため、ここでは、この最も発光強度の高いピークではなく、発光強度は高くないが金属元素のピークからは離間した波長約２０９ｎｍの単一のピークが上記と同様に用いられる。具体的には、このピーク強度は、２０８．７～２０９．１ｎｍの波長帯の積分値をＢのピーク強度（第２の強度）とすることができる。

一方、Ｏのピークの発光強度は金属元素やＢと比べて低いため、その単一のピーク強度の認識を上記と同様に行うことは困難である。しかしながら、図２の上段に示されるように、Ｏのピークは波長７７７ｎｍ付近で隣接して複数存在している。このため、ここでは、金属元素（Ｚｒ、Ｆｅ）やＢとは異なり、３つのピークが含まれる波長範囲となる７７６．８ｎｍ～７７７．８ｎｍの波長帯における積分値をＯのピーク強度（第３の強度）とすることができる。

このように、上記の組成分析方法においては、ます、金属元素（Ｚｒ）に対応するピーク、上記のＢの一つのピーク、上記のＯの隣接する３つのピークが全て含まれる発光スペクトルをＬＩＢＳにより取得する（発光スペクトル取得工程）。その後、以下に説明するように、第２の強度の第１の強度の対する比率であるＢ／Ｍ値からホウ素の金属元素（Ｚｒ）に対する組成比を、第３の強度の第１の強度に対する比率であるＯ／Ｍ値から酸素の金属元素（Ｚｒ）に対する組成比を、それぞれ算出する（分析工程）。

上記のように算出された金属元素Ｍ（Ｚｒ、Ｆｅ）、Ｂ、Ｏのピーク強度（第１～第３の強度）を基に、組成比を定量的に算出した結果について説明する。このために、組成の判明している複数の試料Ｓに対してこの測定を行い、上記のピーク強度の比として、第２の強度の第１の強度の対する比率であるＢ／Ｍ値、第３の強度の第１の強度に対する比率であるＯ／Ｍ値と、判明している組成との関係を調べた。図３（ａ）は、横軸を他の分析手法により判明しているＢ／Ｚｒの組成比、縦軸を上記のように算出したＢ／Ｚｒに対応するピーク強度比（Ｂ／Ｍ値：Ｍ＝Ｚｒ）とした結果であり、図３（ｂ）は、Ｂ／Ｆｅ（Ｂ／Ｍ値：Ｍ＝Ｆｅ）についての同様の結果である。ここで、前記の通り、図３における横軸（Ｂ／Ｚｒ、Ｂ／Ｆｅ）の組成比はＩＣＰ－ＭＳにより算出された。また、図４（ａ）はＯ／Ｚｒ（Ｍ＝Ｚｒ）について、図４（ｂ）はＯ／Ｆｅ（Ｍ＝Ｆｅ）についての同様の結果である。図４における横軸（Ｏ／Ｚｒ、Ｏ／Ｆｅ）の組成比はＥＰＭＡの一種であるＷＤＸ（波長分散型Ｘ線分析）により算出された。

図３、４のどの結果においても、各測定点はほぼ直線上にある。このため、上記のようなピーク強度比（縦軸の値）を、図３、４における組成比（横軸の値）に換算することができる。

図１の構成においては、図２のような発光スペクトルは、レーザー光１００の１回の照射によって取得することができる（発光スペクトル取得工程）ため、試料Ｓにおけるレーザー光１００の照射箇所を順次変更する（走査する）ことによって、試料Ｓの表面における複数の箇所で発光スペクトルを取得し、非接触で各箇所におけるＢ／Ｍ値、Ｏ／Ｍ値を算出し、組成比を上記の通りに算出する（分析工程）ことができる。すなわち、組成比のマッピングを行うことができる。

次に、上記の結果を基にした硬度算出方法について説明する。ここで、例えば燃料デブリが試料Ｓである場合には、その硬度を非接触で算出することが望まれる。燃料デブリにおいては、上記のように主成分となる金属（Ｚｒ、Ｆｅ）中に上記のようにＢ、Ｏが含まれ、硬度はこれらの組成比に依存する。この場合、上記と同様にそのマッピングも行うことができる。

上記のＢ／Ｍ値、Ｏ／Ｍ値と同様に、第２の強度の第３の強度に対する比率の、更に第１の強度に対する比率である（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値を各模擬試料で算出し、これを縦軸とし、予め機械的な手法で計測された各模擬試料のビッカース硬度を横軸とした結果を図５に示す。この結果より、ビッカース硬度が１０ＧＰａとなる点（図５におけるＺ）付近を境として、これよりもビッカース硬度の大きな領域（第１の領域）では（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値とビッカース硬度との間には正の一次係数をもつ一次式の関係（直線関係）が見られるのに対し、これよりもビッカース硬度の小さな領域（第２の領域）では、（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値とビッカース硬度との関係は逆転し、（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値とビッカース硬度との間には負の一次係数をもつ一次式の関係が見られる。このため、一般的には（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値のみからビッカース硬度を算出することは困難である。図５において、Ｚよりも右側の領域（第１の領域）にある試料Ｓでは、ビッカース硬度Ｈは、（Ｂ／Ｏ）／Ｍの値をｘとすると、Ｈ＝ｋ_１×ｘ＋ｃ_１（ｋ_１＞０）となり、Ｚよりも左側の領域（第２の領域）にある試料Ｓでは、Ｈ＝ｋ_２×ｘ＋Ｃ_２（ｋ_２＜０）となる。

ビッカース硬度がこのような（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値依存性をもつことは、以下のように説明できる。燃料デブリを初めとするこのように金属を主成分とする母材中にＯ、Ｂが存在している試料においては、その硬度に影響を与える物質は、試料中の（１）金属（合金、金属間化合物）、（２）金属酸化物、（３）金属ホウ化物、のいずれかと考えられる。具体的には、燃料デブリにおいては、（１）金属（合金、金属間化合物）としてはＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ、（Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ）_２（Ｕ，Ｚｒ）等が、（２）金属酸化物としてはＵＯ_２、（Ｕ，Ｚｒ）Ｏ_２等のセラミックス等が、（３）金属ホウ化物としてはＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉ）_２Ｂ、ＺｒＢ_２等がある。（１）金属のビッカース硬度は概ね１０ＧＰａ以下、（２）金属酸化物のビッカース硬度は概ね６～１３ＧＰａ程度、（３）金属ホウ化物のビッカース硬度は概ね１４～２０ＧＰａ程度である。ここで、Ｏ、Ｂの組成比が小さな場合には、明らかに（１）により硬度は定まる。また、（３）金属ホウ化物の硬度は（２）金属酸化物よりも高い。

Ｏ又はＢの組成比が無視できない場合において、特にＯの組成比が大きな場合（Ｂ／Ｏが小さい場合）には、（２）金属酸化物の影響が支配的となる。金属酸化物の硬度はＯの組成比に応じて高くなり、これは図５におけるＺよりもビッカース硬度が低い領域（第２の領域）に対応する。このため、ここでは、（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値の上昇に従ってビッカース硬度が低下する。

一方、Ｂの組成比が大きな場合（Ｂ／Ｏが大きい場合）には、（３）金属ホウ化物の影響が支配的となる。（３）金属ホウ化物の硬度はＢの組成比に応じて高くなり、これは図５におけるＺよりもビッカース硬度が高い領域に対応する。このため、ここでは、（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値の上昇に従ってビッカース硬度が増大する。

このように（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値の依存性が逆である２つの領域が存在するために、図５の関係から（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値のみによりビッカース硬度を推定することは一般的には困難である。しかしながら、試料Ｓが図５におけるＺを挟んだどちらの領域にあるかを判定することができれば、（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値からビッカース硬度を推定することができる。前記の通り、図５におけるＺよりも左側の領域はＯの組成比が大きな場合であり、Ｚよりも右側の領域はＢの組成比が大きな場合に対応する。このため、前記のＯ／Ｍ値、Ｂ／Ｍ値に応じてこの試料Ｓがどちらの領域に属するかを認識することができる。

この際、この試料Ｓが上記のどちらの領域に属するかの閾値となるＯ／Ｍ値あるいはＢ／Ｍ値は、含まれる金属に応じて異なるが、上記の傾向はどの金属元素を含む場合においても同様であると考えられる。試料Ｓにどの金属元素が主として含まれるかは、前記の通りに、例えば図２の発光スペクトルにおける各金属元素に対応するピーク強度を認識することによって認識することができる。解析部５０は、この金属の種類や合金組成毎に上記の閾値を記憶部６０に記憶していれば、これに応じてこの試料Ｓが上記の領域のどちらに属するかを認識することができる。この際、前記のパラメータである（ｋ_１、ｃ_１）、（ｋ_２、ｃ_２）の値もこの閾値の値と共に金属の種類や合金組成毎に定まる。解析部５０がこれらの値をデータとして記憶部６０に記憶しておけば、結局、（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値から前記の一次式を用いてビッカース硬度を算出することができる。

図６は、このような硬度算出方法を説明するフローチャートである。この操作は、解析部５０によって実行される。ここでは、まず、前記の通り、図１の構成の装置を用いてＬＩＢＳの発光スペクトルが取得される（Ｓ１）。この中における金属元素（Ｚｒ、Ｆｅ等）に対応するピーク、ピーク強度を認識し、含有する金属及び金属組成を認識することができる（Ｓ２）。また、上記のＯ／Ｍ値、Ｂ／Ｍ値も発光スペクトルから認識する（Ｓ３）。

次に、解析部５０は、これに応じて、上記の領域の判定のために用いるＯ／Ｍ値あるいはＢ／Ｍ値に対する閾値、及びこれに対応した上記のパラメータ（（ｋ_１、ｃ_１）、（ｋ_２、ｃ_２））を記憶部６０から入手し（Ｓ４）、その閾値とＯ／Ｍ値あるいはＢ／Ｍ値の大小関係から、試料Ｓが図５におけるどちらの領域に属するかを認識する（Ｓ５）。その後、解析部５０は、（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値を算出し（Ｓ６）、この値と上記のように認識されたパラメータ（（ｋ_１、ｃ_１）、（ｋ_２、ｃ_２）のいずれか）とを用いてビッカース硬度を算出する（Ｓ７）。

図６の動作は、パーソナルコンピュータ等である解析部５０を用いて容易に行わせることができる。この際、１回の測定で取得された一つの発光スペクトルのみから、上記のようにＯ／Ｍ値、Ｂ／Ｍ値、（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値を算出し、これらの値からビッカース硬度を算出することができる。前記の通り、試料Ｓにおける複数の点からそれぞれ発光スペクトルを得ることは容易であるため、結局、ビッカース硬度の値をこの各点毎に算出することも容易である。このため、上記の硬度算出方法においては、試料Ｓにおけるビッカース硬度のマッピングも容易に行うことができる。この際、試料Ｓに対しては非接触でこの測定を行うことができるために、特に試料Ｓが施設等に固定された状態でも離間した箇所からこの測定を行うことができる。このため、特に燃料デブリ等に対してこの硬度算出方法は有効である。

ただし、上記のように金属元素に対してＯ、Ｂが混合している任意の試料に対して、上記の組成分析方法、硬度算出方法は同様に有効であることも明らかである。このような試料としては、例えば同様にＯ、Ｂが含まれる金属及びセラミックス材料等がある。

また、上記の例では、ＬＩＢＳによって上記のＢ／Ｍ値、Ｏ／Ｍ値、（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値が算出された。しかしながら、Ｂ、Ｏ、Ｍの発光ピークが同時に非接触で確認できる限りにおいて、ＬＩＢＳ以外の測定方法も同様に用いることができる。特に、これらの元素の発光ピークが単一の発光スペクトル中でそれぞれ得られる場合には、上記の例と同様に、この単一の発光スペクトルからＢ／Ｍ値、Ｏ／Ｍ値、（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値を同時に算出することができるため、特に硬度のマッピングを非接触で行うことも容易である。

１組成分析装置（硬度算出装置）
１０光源
２０照射光学系
３０検出光学系
４０光検出器
５０解析部
６０記憶部
１００レーザー光
２００プラズマ発光
Ｓ試料

Claims

試料における金属元素に対するホウ素（Ｂ）及び酸素（Ｏ）の組成比を算出する組成分析方法であって、
レーザー誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ）によって前記試料をプラズマ化し、当該プラズマからの発光スペクトルを取得する発光スペクトル取得工程と、
前記発光スペクトルにおける、前記金属元素に対応するピークの強度である第１の強度と、２０８．９ｎｍの波長に対応するホウ素（Ｂ）の単一のピークの強度である第２の強度と、酸素（Ｏ）の複数のピークが含まれる７７６．８ｎｍ～７７７．８ｎｍの波長帯の平均強度である第３の強度と、を算出し、前記第２の強度の前記第１の強度の対する比率であるＢ／Ｍ値から前記試料におけるホウ素（Ｂ）の前記金属元素に対する組成比を、前記第３の強度の前記第１の強度に対する比率であるＯ／Ｍ値から前記試料における酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比を、それぞれ算出する分析工程と、
を具備することを特徴とする組成分析方法。
前記発光スペクトル取得工程において、
１回の測定により、前記金属元素に対応するピーク、前記２０８．９ｎｍの波長に対応するホウ素（Ｂ）の単一のピーク、及び前記酸素（Ｏ）の複数のピークが含まれる７７６．８ｎｍ～７７７．８ｎｍの波長帯、が含まれる波長範囲で前記発光スペクトルを取得することを特徴とする請求項１に記載の組成分析方法。
前記試料における複数の測定点において前記発光スペクトルを取得し、ホウ素（Ｂ）及び酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比を前記測定点毎に算出することを特徴とする請求項２に記載の組成分析方法。
前記第１の強度より、前記試料における前記金属元素の組成を算出することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の組成分析方法。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の組成分析方法を用いて前記試料におけるホウ素（Ｂ）の前記金属元素に対する組成比、及び前記試料における酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比、をそれぞれ算出することにより、前記試料の硬度を算出する硬度算出方法であって、
前記金属元素、ホウ素（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含む模擬試料の硬度と、前記模擬試料におけるホウ素（Ｂ）の酸素（Ｏ）に対する組成比の前記金属元素の組成に対する比率との関係を、当該比率の増加に伴い前記硬度が増大する第１の領域と、当該比率の増加に伴い前記硬度が減少する第２の領域とに区分されるように、予め取得し、
前記Ｂ／Ｍ値又は前記Ｏ／Ｍ値に基づき、前記試料が前記第１の領域、前記第２の領域のどちらに該当するかを判定し、
前記第２の強度の前記第３の強度に対する比率の、前記第１の強度に対する比率である（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値を算出し、
前記第１の領域、前記第２の領域のうちの前記試料が該当するとされた側における前記（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値より、前記硬度を算出することを特徴とする硬度算出方法。
前記試料は放射性物質を含有することを特徴とする請求項５に記載の硬度算出方法。
試料における金属元素に対するホウ素（Ｂ）及び酸素（Ｏ）の組成比を前記試料が発する発光の発光スペクトルから算出する組成分析装置であって、
前記発光スペクトルにおける、前記金属元素に対応するピークの強度である第１の強度と、２０８．９ｎｍの波長に対応するホウ素（Ｂ）の単一のピークの強度である第２の強度と、酸素（Ｏ）の複数のピークが含まれる７７６．８ｎｍ～７７７．８ｎｍの波長帯の平均強度である第３の強度と、を算出し、前記第２の強度の前記第１の強度の対する比率であるＢ／Ｍ値から前記試料におけるホウ素（Ｂ）の前記金属元素に対する組成比を、前記第３の強度の前記第１の強度に対する比率であるＯ／Ｍ値から前記試料における酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比を、それぞれ算出する解析部を具備することを特徴とする組成分析装置。
レーザー光を前記試料に対して発する光源と、
前記レーザー光が照射された前記試料から前記発光スペクトルを入手する光検出器と、
を具備し、前記解析部は、単一の前記発光スペクトルから前記試料におけるホウ素（Ｂ）の前記金属元素に対する組成比、及び前記試料における酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比を、それぞれ算出することを特徴とする請求項７に記載の組成分析装置。
請求項７又は８に記載の組成分析装置を用いて前記試料におけるホウ素（Ｂ）の前記金属元素に対する組成比、及び前記試料における酸素（Ｏ）の前記金属元素に対する組成比、をそれぞれ算出することにより、前記試料の硬度を算出する硬度算出装置であって、
前記金属元素、ホウ素（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含む模擬試料の硬度と、前記模擬試料におけるホウ素（Ｂ）の酸素（Ｏ）に対する組成比の前記金属元素の組成に対する比率との関係を、当該比率の増加に伴い前記硬度が増大する第１の領域と、当該比率の増加に伴い前記硬度が減少する第２の領域とに区分されるように、予め取得されたデータを記憶する記憶部を具備し、
前記解析部は、
前記Ｂ／Ｍ値又は前記Ｏ／Ｍ値に基づき、前記試料が前記第１の領域、前記第２の領域のどちらに該当するかを判定し、
前記第２の強度の前記第３の強度に対する比率の、前記第１の強度に対する比率である（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値を算出し、
前記第１の領域、前記第２の領域のうちの前記試料が該当するとされた側における前記（Ｂ／Ｏ）／Ｍ値と前記データより、前記硬度を算出することを特徴とする硬度算出装置。
前記解析部は、前記試料における複数の箇所で得られた前記発光スペクトルより、前記複数の箇所における前記硬度を算出することを特徴とする請求項９に記載の硬度算出装置。