JPH10503278A - レーザー切除による物質除去 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 汚染表面を切除するための方法と装置とが記述されている。該方法は、切除すべき表面に近接して切除室手段を配備する工程を有し、かつレーザービームが前記切除室手段を貫通し、汚染表面に衝突して同汚染表面を切除することを許すレーザービーム通路穴を前記切除室手段が有することと、切除された物質を集積手段に運搬するために連続ガス流に前記切除室手段を通過させる工程と、前記切除された物質が切除室手段から周囲の大気内に逃れるのを防止する手段を提供する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザー切除による物質除去 本発明はレーザー切除(laser ablation)によって、汚染表面から物質を切除(a blation)及び移送するための方法と装置とに関する。 例えば、化学工業や原子力工業で使用されるような金属構造やコンクリート構 造の、汚染表面の除去及び、又は標本採取のために今迄使用されている方法は、 粘着性パッドや研磨ディスクやドリルや錐心試料採取器(core sampler)などの比 較的素朴な物理的技術による傾向があった。除去された標本の実際の分析は、ど の様なタイプの汚染であるかに依存する。 汚染されている表面を除去し、または遠隔操作試験のためにその表面から標本 を除去することができ、かつ、人間がその汚染された領域に近づく必要なしに、 汚染表面からその標本を別の場所に運搬することができることが、安全のために 望ましい。 本発明の目的は、汚染切除物質の漏れによって更に汚染が生ずることがないよ うに、汚染表面をレーザー切除、すなわちレーザーアブレーションによって遠隔 操作で除去し、或は標本を採取するための方法と装置を提供することである。 本発明の第一の態様によれば、切除すべき表面に近接して切除室手段を配備す る工程を有し、かつ、レーザービームが前記切除室手段を貫通し汚染表面に衝突 して同汚染表面を切除することを許すレーザービームアクセス手段を前記切除室 手段が有することと、切除された物質を遠い集積手段に運搬するために連続ガス 流に前記切除室手段を通過させる工程を有し、かつ、前記切除室手段が、前記切 除された物質が前記切除室手段から周囲の大気内に逃れるのを防止する手段を更 に備えたこととを特徴とする、レーザー切除による汚染表面の標本採取又は汚染 除去の方法が提供される。 本発明は、汚染表面の標本を試験のために採取することと、表面の汚染をレー ザー切除によって除去し、かつ汚染切除物質を移送することとのうち一方または 両方に関するものであることを指摘しておく。 本発明による方法の１つの実施態様において、切除室手段は、周囲の大気が切 除室手段の中に侵入することを防止し、かつ、切除された物質が周囲の大気中に 漏れ、さらなる汚染を引き起こすことを防止するためのガスシール手段を具備し ている。 好ましくは、ガスは、切除された物質との反応を防止するものであって、例え ば、窒素、アルゴンまたはその他の適したガスから構成され得るものである。 本発明による方法はまた、例えばロボット腕などの遠隔操作手段によって切除 室手段を、標本採取すべき表面に位置させる工程を有し得る。 本発明の方法は、さらにレーザービームを、切除すべき表面に光ファイバー伝 送路手段を経由して照射する工程を有し得る。 本発明の第二の態様によれば、切除手段であって、レーザービームに、自身を 通過させ、汚染表面に衝突させて同表面の物質を切除させる手段と、更に、切除 された前記物質が周囲の大気中に出ることを防止し、周囲の大気が切除室手段の 中に流入することを防止するシール手段と、更に、ガス入口手段とガス出口手段 とを有することを特徴とする切除室手段が提供される。 本発明の第三の態様によれば、レーザー手段と、前記レーザー手段からのレー ザービームが自身を通過し、前記表面に衝突し前記表面の物質を切除することを 許す手段を有し、当該切除された物質が周囲の大気中に出ることを防止し、かつ 周囲の大気が切除室手段に流入することを防止するためのシール手段をさらに有 する該切除室手段と、前記切除室手段への、及び前記切除室からの連続ガス流で あって、前記切除室手段から集積手段に前記切除された物質を運搬するガス流を 提供する手段とを備えたことを特徴とする表面切除装置が提供される。 レーザービームが切除室手段を通過することを許す手段は、該切除室手段に設 けた穴であってもよい。 あるいは、レーザービームが室に入ることを許す手段は光ファイバー伝送路で あってもよい。 前記光ファイバー伝送路は、レーザービームを、同レーザービームが前記光フ ァイバー伝送路に入る点で収束させるためにレンズ収束手段を備えることができ る。レーザービーム射出システムは、光ファイバー伝送路から出て来た前記レー ザービームを、前記切除室手段の中で切除すべき表面上に収束させるレンズ収束 手段をさらに備えてもよい。光ファイバー伝送路を上記のように備えたレーザー ビーム射出システムは、汚染切除物質を包含したガスの流出を防止するために切 除室に対してシールされ得る。 前記切除室手段は、切除すべき表面に近接して保持された室であり得る。同室 はガス流が通過する内部容積を有し、標本採取すべき表面に近接した、同室の面 は、少なくとも部分的に開放されている。開放されている面は、切除した物質を 集積手段に運搬するために室に供給されるガス流によって形成されるシールによ って、切除された物質の漏出および周囲の大気の侵入を防止するようにシールさ れ得る。該室の壁の内部には、周囲の大気の侵入と切除された物質の漏出とを防 止するためのガスシールを提供するためにガス流通路を具備することができる。 或は、前記室の、開いている端部は、前記ガスシールの機能を後記スカート手 段の付設場所で助けるために、切除すべき表面に、又は該表面に近接した箇所に 当接するようプラスチック及び、又はゴム材料で形成された可撓性のスカート手 段を具備することもできる。 前記室はまた、集積手段に接続されたガス流出口導管手段を具備することが可 能である。該ガス流出口導管手段は、切除された物質または標本を切除室又は標 本採取室からかなりの距離を運搬することを許す可撓性の導管を具備することが 可能である。前記切除室又は標本採取室から内径の小さい導管を通って、物質の 重大な損失も無く、長い距離をガス流によって運搬される切除された標本につい て試験が行われた。３０ｍまでの運搬距離が達成された。 汚染切除物質の漏出と周囲の大気の侵入とを防止するためにガスシールを使用 する、本発明の切除室の利点は、これが、例えば、機械的接触によるシールでは 比較的効果のない、コンクリートなどの粗い表面で使用できる点である。 集積手段は、例えばインラインフィルタ(in-line filter)を具備することが可 能で、切除された物質は、望ましい任意の方法で試験され、又は処分され得る。 あるいは、集積手段は、それ自身が試験手段を具備していて、切除された物質は 、該物質の分析を行う装置の中に直接に送り込まれる。この分析装置は、例えば 、電磁誘導結合プラズマ質量分析計[inductively coupled plasma(ICP)mass spe ctrometer]又は光学的発光分光器(optical emission spectrometer)を具備する ことができる。 切除室手段へのガス流は、例えば、窒素またはアルゴンの加圧ボンベによるガ ス源から提供され得る。該ガス流は、切除室の出口側に接続されている真空ポン プ手段によって、さらに補助され得る。 レーザー手段はネオジムＹＡＧレーザー(neodymium YAG laser)、又は、切除 の目的のための、その他の適当なレーザーであって、切除室に対し予め定められ た関係に保たれる。 あるいは、レーザーエネルギーは光ファイバー伝送路を通じて切除室に伝送さ れる。このことは、装置をより使いやすくするという、例えば、管の内部などの 、より制限された空間にアクセスできるという、および操作すべき重量を減少さ せることができるという利点を有している。さきに説明したように、レーザーエ ネルギーを光ファイバー伝送路を通じて伝送することの別の利点は、この光ファ イバー伝送路を標本採取室の上部にシールすることができ、そのことによって、 切 除された物質の漏出と大気の侵入とを防止するために切除室をシールする仕事が 簡単になることである。光ファイバー伝送路によるレーザービーム射出システム のさらに別の重要な利点は、切除された物質が、汚染された現場からかなり離れ た距離を運搬される場合の、標本の遠隔採取の場合のように、レーザー装置自体 を、汚染された現場からかなり離れた距離に位置させることができるということ である。長さが１０ｍの光ファイバー伝送路を使用した実験が、たいしたレーザ ーパワーの損失もなく為されている。１０ｍを超える距離も、必要がある場合に は用いられており、その結果、本発明の方法及び装置の安全面はさらに向上する 。 この装置は、切除される表面上の希望する位置に該室を位置させるために、例 えば、ロボット腕のような遠隔操作手段をさらに具備することができる。このよ うな、いかなるロボット腕も、予め定められた方法で標本採取室に該表面上を移 動させるようにプログラムが与えられ得る。 レーザー手段は、当該被汚染物質の表面を切除するに必要な条件をつくり出す ために望まれ、必要とされる連続モードまたはパルスモードで使用される。 この装置は、ある領域の標本採取に使うこともできれば、表面の「既定深さ削 り」（depth profiling）すなわち、「汚染された材料のみを除去するに必要な 予め設定された深さを切除することにより、汚染されていない材料を実質的に失 わせない切除」のために使うこともできる。本発明の方法及び装置の利点は、例 えば放射性物質の最小量を、制御された速度で遠隔操作によって取り除くことが できる点である。 この方法及び装置の別の利点は、何等、反作用が生じず、従って、該装置を軽 くすることができ、簡単に操作することができるという点である。 この方法及び装置はまた、内層材料(substrate material)の性質に重大な影響 を与えることなく表面の汚染を取り除くために使用できる。 本発明がもっと完全に理解されるように、以下の添付した図面を参照して例に ついて記述する。 図１は本発明による、本発明の方法を実行するための装置の概略図である。 図２は切除室の断面の、もっと詳しい概略図である。 図３は図２の切除室の、概略的な部分断面平面図である。 図４はレーザービームを処理表面に放射する光ファイバー伝送路手段を有する 、別の切除室の断面図である。 図５は図４に示した装置と共に使用される装置の詳細図である。 今、図面を参照すると、図１に於て、本発明による装置は全体として１０で小 される。この装置は、操作のためのロボット腕１４に載架された切除室１２を具 備する。レーザーエネルギー源１６が光ファイバー伝送路１８によって室１２に 接続されていて、レーザービーム２０が、汚染表面２２に衝突することを可能に している。該表面２２に近接して室１２が保持されている。室１２は柔軟な導管 ２６を通じてのキャリヤーガス供給源２４と、例えばフィルタのような物質集積 手段３０に接続している、ガス出口導管２８とを備えている。キャリヤーガス中 の切除された物質の粒子の運搬は、ポンプ３２によって助けられている。汚染切 除物質は、全体として４０で示されるシールによって、室１２から外に逃げ出す のを防止されている。このシールに関しては図２及び図３を参照して以下にもっ と詳しく述べる。この装置の一部分は、汚染された領域３４に位置するが、該装 置を操作する人間（図示せず）と該装置の残りの部分とは、幾分離れた、図１で 概略的に示されている、汚染されていない領域３６に位置する。 図２および図３に示す切除室１２は、汚染表面２２に対する、レーザービーム のための通路が、図１に示した室１２の上部に封入されている光ファイバー伝送 路１８ではなく開口４２である点で図１に示した切除室とは少し異なっているが 、そのレーザービームは、レーザー装置から直接来るか、または室の該開口の外 にある１個または複数の鏡（図示せず）によって、開口４２を通るように、その 方 向を転じられる。 図２および図３に示す切除室１２は、レーザービーム通路穴４２を有する上蓋 部５２の付いた、通常は円筒形の本体５０を具備している。該本体５０の壁は、 ２つの、通常は環状のガス流通路５４、５６を有しており、これらのガス流通路 は、ガス供給導管２６（図１参照）に接続されている。供給されるガスは前記２ つの環状の通路５４、５６に分けられて、一部は通路５４から、矢印６０で示さ れるように室１２の内部５８へ送られ、一部は通路５６から、矢印６４で示すよ うに外に大気６２中へ送り出され、ガスは、柔軟なプラスチック製の、及び、又 はゴム製のスカート７２の、それぞれどちらかの側に形成された、下部表面６６ の一連のガスジェット６８、７０を通して本体５０の下部表面６６から噴出する 。該スカート７２は汚染表面２２に接触している。ガス流６０は、スカート７２ と共に、切除された物質の大気中への流出を防止し、切除された物質は、室の内 部５８と連通している本体５０の壁の中の導管２８を通じてキャリヤーガス流６ ０によって集積手段３０へ運搬される。ガス流６４は、スカート７２と共に、回 りの大気ガスが室の内部５８に流入することを防止する。上蓋部５２もまた、供 給導管２６に接続された２つのガス供給導管７４、７６を有している。これら導 管７４、７６はそれぞれ通路穴４２に出口ジェット７８、８０を有し、これらジ ェット７８、８０は通路穴４２の軸心に関し相互に、或は共にずらせて設けられ ている。前記２つのジェットからのガス流の相互作用によって、矢印８２で示し た、大気への外方流と、矢印８４で示した、室５８の内部への内方流とが生成さ れる。汚染された物質が大気中に逃げることと、大気が室に流入することが、前 記通路穴へのガスジェットの相互作用によって防止される。室内部５８と連通し ている出口導管２８も図１に示すように設けられている。 上記の装置を使用して実行された試験では、パルス当り１ジュールの最大出力 を有するSpectron（商標）Ｎｄ ＹＡＧレーザーが使われ、これのレーザービー ムを通路穴４２を通して切除対象の表面２２に照射するために複数の鏡が使われ た。レーザーの出力波長は１０６４ｎｍである。レーザーは９ｎｓのパルス長、 １５Ｈｚの周期、パルス当り３００ｍＪの出力の、Ｑスイッチモードで使われた 。これらのレーザー運転条件は、使用された、２つの最も一般的な構造材である コンクリートと鋼とについて約０．０１μｍないし約１０μｍの範囲の切除粒子 サイズを与えるように設定された。これらの条件下に於て、鋼に対するサイズ範 囲は、約０．０１μｍないし約１μｍであり、コンクリートに対するサイズ範囲 は約０．１μｍないし約１０μｍである。 使用したガス導管２８のサイズにおいて、上記の粒子サイズ範囲は最適化され ており、比較的長い距離を運搬する目的のために最も適していると考えられた。 粒子を移動させ続けてキャリヤーガスの中で運搬するためには、ガス流は非乱流 にすべきであることが分かった。もし粒子サイズが０．０１μｍより小さいと、 それらの流れは乱流となり、一方、もし粒子サイズが１０μｍより大きいと、粒 子は重力の影響でガス流から脱落する傾向がある。 切除室１２の中のガスは過圧に保たれた。ガス流６４以外に、この過圧も、回 りの大気が室内部５８に流入することを防止するのに役だった。切除室において 、ガス流６０、６４、８２、８４はすべて単一の加圧ガスボンベ源から供給され 、相対的なガス流量は室５４、５６および導管７４、７６への入口の所のバルブ （図示せず）によって制御された。しかし、１つ以上のガス源を使用してもよい 。それぞれの必要なガス流のために個々の別々に制御されたガス供給装置を使う こともできるし、また所要のガス圧力及び、又は流量を達成するために適当に組 み合わせてもよい。装置を通るガス流は、物質集積手段３０の下流の、ルーツポ ンプ(Roots-type pump)３２によって助けられていた。ポンプ３２が大気圧より も僅かに低い負圧を作り出す一方、室内部５８には大気圧よりも僅かに高い過圧 が維持される。前記ポンプ３２は高容量のもので、大容量のガス流量を扱うこと が できる。従って、室と集積手段の間には圧力勾配が設定され、このことは、非乱 流を提供し粒子の長距離運搬を維持するのに役立つ。上記の実験条件において、 粒子は、顕著な損失も無く、３０ｍ以上の距離を運搬された。 室１２、従ってレーザービームを、標本採取か汚染除去のいずれかを達成する ために、表面２２を横切って、望まれる方法で移動させられるように、ロボット 腕１４には公知の方法でプログラムを設定することができる。 集積された物質は、多くの方法で扱うことが可能である。収集された物質は、 単に集めて安全に処分することもできるし、その一部または全部を分析して、例 えば、汚染のレベルと物理的程度とを確認することもできる。このような処理お よび分析の方法は、従来技術において公知であり、本発明の一部を構成するもの ではない。 図４及び図５は或る装置の詳細を示しており、この装置では、切除室１００（ 図１または図２および図３を参照して説明した室と置換することができる）は、 レーザービーム通路穴１０４において室自身にシールされたレンズ装置１０２を 有し、前述したと同様に、汚染された物質の流出または回りの大気の流入を防止 している。レンズ１０２には、光ファイバー伝送路１０６が取り付けてあり、レ ンズ１０２で収束されたレーザービーム１０８が、切除されるべき表面１１０に 向けて照射される。切除室１００から離れた場所（図示せず）で、レーザー装置 （図示せず）は、光ファイバー伝送路１０６に入射した時に平行になるように第 二のレンズ装置１１２でレーザービームを収束させている。光ファイバー伝送路 １０６の端部におけるレーザービームの入射点１１４に、Ｔ形部品１１６が設け られ、該部品１１６に、矢印１１８で示される窒素ガス流が供給される。レーザ ービーム入射点におけるこの窒素ガス雰囲気の目的は、空気よりもイオン化ポテ ンシャルの高いガスを与えることである。もし、レーザーの、収束したパワー密 度が十分に高ければ、空気のイオン化による絶縁破壊が発生して、プラズマを形 成し、そのためレーザービームの光ファイバー伝送路内への進行が抑止される。 従って、空気よりもイオン化ポテンシャルの高いガスを使用することによって、 出力損失をより少なくして、レーザービームの光ファイバー伝送路内への進行を 、より効率的なものにできる。上記の装置において、直径１０００μｍの純粋シ リカコアと、Tefzel（商標）のクラッディングとを有する光ファイバが使われた 。 装置の操作者が、汚染された現場からかなり離れて位置することができるので 、本発明の方法と装置は、これ以前に提案されたものよりも安全に使用すること ができる。同様に、切除された物質のすべてが装置の内部に保たれるので、新た な汚染も発生しない。 上記の条件は、前述の使用された装置について設定されたものであって、異な る装置仕様や、ガス流量や導管内径サイズの場合には、様々なパラメータの最適 値は著しく異なり得ることを強調しておきたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｇ２１Ｃ 17/00 9216−2Ｇ Ｇ２１Ｆ 9/28 ＺＡＢ Ｇ２１Ｆ 9/28 ＺＡＢ 9216−2Ｇ Ｇ２１Ｃ 17/00 Ｊ (72)発明者 チャンドラティラケ，マリヤッデ・ランコ トゲ イギリス国、エム19 １エヌエス マンチ ェスター、バーネイジ、バーシクロフト・ ロード 26 (72)発明者 ロビンソン，ヴィンセント・ジョゼフ イギリス国、エム20 マンチェスター、リ ーヴェンシャルム、グレインジ・アヴェニ ュー、ザ・グレインジ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 切除すべき表面に近接して切除室手段を配備する工程を有し、かつ、レ ーザービームが前記切除室手段を貫通し汚染表面に衝突して同汚染表面を切除す ることを許すレーザービーム通路穴を前記切除室手段が有することと、切除され た物質を集積手段に運搬するために連続ガス流に前記切除室手段を通過させる工 程を有し、かつ、前記切除室が、前記切除された物質が前記切除室手段から周囲 の大気内に逃れるのを防止する手段を更に備えたこととを特徴とする、レーザー 切除による汚染表面の標本採取又は汚染除去の方法。 ２． 遠隔操作手段によって前記切除室を移動させる工程を更に有することを 特徴とする、請求項１に記載の、レーザー切除による汚染表面の標本採取又は汚 染除去の方法。 ３． 前記レーザービームが光ファイバー伝送路を通されて前記表面に当てら れることを特徴とする、請求項１または２に記載の、レーザー切除による汚染表 面の標本採取又は汚染除去の方法。 ４． 切除室手段であって、レーザービームに、自身を通過させ、汚染表面に 衝突させて同表面の物質を切除させる手段と、更に、切除された前記物質が周囲 の大気中に出ることを防止し、周囲の大気が切除室手段の中に流入することを防 止するシール手段と、更に、ガス入口手段とガス出口手段とを有することを特徴 とする切除室手段。 ５． レーザービームに自身を通過させる前記手段が切除室における穴である ことを特徴とする、請求項４に記載の切除室。 ６． レーザービームに自身を通過させる前記手段が前記切除室の中の光ファ イバー伝送路であることを特徴とする、請求項４に記載の切除室。 ７． 切除された物質が前記切除室から流出するのを防止する前記シール手段 がガスシールを有することを特徴とする、請求項４ないし６のいずれか一項に記 載の切除室。 ８． 前記ガスシールが、ガスを前記切除室の内部に導入するガスジェットを 備えたことを特徴とする、請求項７に記載の切除室。 ９． 前記ガスが前記切除された物質を前記ガス出口内に運搬することを特徴 とする、請求項８に記載の切除室。 １０． 前記ガスジェットが前記汚染表面に近接して前記切除室に設けられた ことを特徴とする、請求項８または９に記載の切除室。 １１． ガスを前記切除室と前記汚染表面との間の領域から離れる方へ指向さ せるガスシールを更に備えたことを特徴とする、請求項７ないし１０のいづれか 一項に記載の切除室。 １２． 前記領域から離れる方へガスを指向させるガスジェットを前記ガスシ ールが備えたことを特徴とする、請求項１１に記載の切除室。 １３． 更に、前記ガスシールの外側にスカート部材を備えたことを特徴とす る、請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の切除室。 １４． 更に、前記切除室の中にガスを導入する前記ガスシールと前記切除室 から離れる方にガスを指向させる前記ガスシールとの間にスカート部材を備えた ことを特徴とする、請求項１１または１２に記載の切除室。 １５． 更に、前記レーザービーム通路穴にガスシールを備えたことを特徴と する、請求項５、同７ないし１４のうちのいずれか一項に記載の切除室。 １６． 大気の前記切除室への流入と前記切除された物質の前記切除室からの 流出とを防止するため相互に作用するよう前記レーザービーム通路穴の中へ向け られたガスジェットを、前記ガスシールが備えたことを特徴とする、請求項１５ に記載の切除室。 １７． 前記ガスジェットが前記レーザービーム通路穴に対し、軸方向で相互 にずらせて設けられたことを特徴とする、請求項１６に記載の切除室。 １８． 前記ガスシールが、共通のガス供給源を有することを特徴とする、請 求項７ないし１７のうちいずれか一項に記載の切除室。 １９． 前記ガスシールが、個々にガス供給源を有することを特徴とする、請 求項７ないし１７のうちいずれか一項に記載の切除室。 ２０． レーザー手段と、 前記レーザー手段からのレーザービームが自身を通過し前記表面に衝突し前記 表面の物質を切除することを許す手段を有し、当該切除された物質が周囲の大気 中に出ることを防止し、かつ周囲の大気が切除室手段に流入することを防止する ためのシール手段をさらに有する該切除室手段と、 前記切除室手段への、及び前記切除室からの連続ガス流であって、前記切除室 手段から集積手段に前記切除された物質を運搬するガス流を提供する手段と を備えたことを特徴とする表面切除装置。 ２１． 請求項４ないし１９のいずれかに記載の切除室手段を備えたことを特 徴とする、請求項２０に記載の表面切除装置。 ２２． 前記レーザー手段が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーであることを特徴とする 、請求項２０または２１に記載の表面切除装置。 ２３． 前記集積手段がフィルタであることを特徴とする、請求項２０ないし ２２のいずれか一項に記載の表面切除装置。 ２４． 切除室手段のための遠隔操作手段を更に備えたことを特徴とする、請 求項２０ないし２３のいずれか一項に記載の表面切除装置。 ２５． 前記切除された物質の分析手段を更に備えたことを特徴とする、請求 項２０ないし２４のいずれか一項に記載の表面切除装置。 ２６． 前記切除された物質を、前記切除室から離れる方に運搬する前記ガス 流が、可撓性の導管を通ることを特徴とする、請求項２０ないし２５のいずれか 一項に記載の表面切除装置。