Enhancement of intensity in microwave-assisted laser-induced breakdown spectroscopy for remote analysis of nuclear fuel recycling

核燃料の遠隔迅速分析を目指したマイクロ波印加によるレーザー誘起ブレークダウン発光光量増大

反保 元伸; 宮部 昌文   ; 赤岡 克昭 ; 大場 正規 ; 大場 弘則  ; 丸山 庸一郎; 若井田 育夫  

Tampo, Motonobu; Miyabe, Masabumi; Akaoka, Katsuaki; Oba, Masaki; Oba, Hironori; Maruyama, Yoichiro; Wakaida, Ikuo

核燃料物質は、発光ライン密度が極めて高いため、レーザー誘起ブレークダウン発光分光法による高精度な組成分析の実現には、超高分解能分光器が必要である。しかし、受光感度が低下することから、発光量の確保が課題となっていた。そこで、文部科学省からの受託研究成果を基に、レーザー生成プラズマにループ状アンテナを介して2.45GHz, 250Wのパルスマイクロ波を印加し、その効果を調べた。酸化ガドリニウム中に100ppmから5%の酸化ユーロピウムを混入させた試料による実験の結果、ガドリニウムイオンの発光量がレーザー単独の場合に比べ50倍増大することに成功するとともに、ユーロピウムの発光量の濃度依存性が直線的であること、検出限界が従来より改善され100ppmを下回ることが示唆された。

An enhancement of emission intensity from laser ablation plume, obtained by coupling a pulsed microwave using a simple wire antenna, is demonstrated to compensate the sensitivity reduction of super-high resolution spectrometer that is required for nuclear fuel analysis. A gadolinium oxide sample was irradiated with 2.45 GHz, 250 W microwave pulse, passed through a loop antenna. As a result, up to 50 fold enhancement of emission signal was achieved for gadolinium ions. The enhancement enabled to measure the mass concentration of europium per gadolinium, ranging from 5% to 100 ppm, and based on the extrapolation of calibration curve the detection limit was estimated to be significantly lower than 100 ppm. This offers a flexible and compact system of microwave-assisted laser-induced breakdown spectroscopy for nuclear fuel analysis.