Development of laser ablation absorption spectroscopy for nuclear fuel materials; Plume expansion behavior for refractory metals observed by laser-induced fluorescence imaging spectroscopy

核燃料物質のレーザーアブレーション吸収分光法の開発; レーザー誘起蛍光撮像法で観測した高融点金属のプルーム膨張挙動

宮部 昌文   ; 大場 正規 ; 赤岡 克昭 ; 加藤 政明*; 長谷川 秀一*; 若井田 育夫  

Miyabe, Masabumi; Oba, Masaki; Akaoka, Katsuaki; Kato, Masaaki*; Hasegawa, Shuichi*; Wakaida, Ikuo

低圧希ガス雰囲気中のアブレーションプルームの動的挙動を、3つの高融点金属であるチタン,ジルコニウム,ハフニウムを用いて、レーザー誘起蛍光撮像法によって調べた。これらの元素のプルーム膨張挙動を比較することで、プルーム構造の形成過程における質量数の影響を明らかにした。以前、ガドリニウムで報告した半球形の薄層と空洞構造が、これらの元素でも観察された。質量数が増えるとプルームサイズが増加し、半球層は薄くなることが分かった。Tiの基底状態原子は、プルーム中心部にも比較的多く存在することが観察された。このTi原子の持続時間は300マイクロ秒程度であり、調べたどの原子・イオンよりも長かった。さらに、多元素試料から生成されるアブレーションプルームでは、質量に依存する元素分別が観察された。これらの結果は、観測されたプルーム構造が、イオンと電子の再結合過程、および、ガス原子との多重衝突によるアブレーション粒子の反跳によって生じることを示唆している。

The dynamic behavior of an ablation plume in low pressure rare gas ambient was investigated with laser-induced fluorescence imaging spectroscopy for three refractory metals, i.e. titanium, zirconium and hafnium. A comparison of the plume expansion behaviors for the species of these elements revealed an atomic weight effect on the plume structure formation. A hemispherical thin layer and cavity structure reported previously for gadolinium were observed also for these elements. It was found that the plume size increases as well as the layer thickness decreases with increasing atomic weight. For ground state atoms of Ti, substantial amount of atoms were observed even at the center of the plume. Also, the persistence of the Ti atomic plume was as long as 300 s, which was significantly longer than the other species studied. Furthermore, the mass-dependent elemental separation was observed in the ablation plume produced from a multielement sample. These results suggest that the observed plume structure arises from the ion-electron recombination process and the recoil of the ablated species during the multiple collisions with gas atoms.