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論文

Development of radiation resistant monitoring system in light water reactor

武内 伴照; 大塚 紀彰; 中野 寛子; 飯田 竜也*; 小沢 治*; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*; 土谷 邦彦

QST-M-16; QST Takasaki Annual Report 2017, P. 67, 2019/03

福島第一原子力発電所事故の教訓から、過酷事故が発生した軽水炉の状況下でも使用可能な監視システムの技術開発を実施している。本システムの開発の課題として、耐放射線性カメラや可視光無線伝送システムで使用する撮像素子や電源IC等の耐放射線性が挙げられる。本研究では、耐放射線性カメラ撮像素子に対する$$gamma$$線の積算線量の影響を調べるため、異なる積算線量時においてフォトゲート(PG)駆動電圧に対する取得画像輝度のダイナミックレンジの違いを調べた。また、カメラ及び可視光無線伝送システムにおいて共通して使用する電源ICについて、$$gamma$$線環境下における出力電圧をモニタリングし、積算線量に対する変化を調べた。撮像素子は、PG駆動電圧調整ユニットに接続した簡易的なカメラシステムを照射室内に設置し、出力画像をモニタで観察した。その結果、ダイナミックレンジを最大とするPG駆動電圧の最適値は積算線量に影響することが分かり、PG駆動電圧の変更によって実質的な耐放射線性を向上させたカメラシステムの可能性を見出した。一方、電源ICは、入力電圧を発生する定電圧電源を接続し、出力電圧とともに、絶縁破壊による短絡発生の有無を調べるため、熱電対で測定したIC表面温度データをデータロガーで収集した。その結果、出力電圧は比較的低い積算線量で一時的に減少した後に復帰し、その後はほぼ安定することが分かり、あらかじめ照射したICを用いること等により放射線環境下においても安定した出力を得る見通しを見出した。

報告書

光学部品の$$gamma$$線照射劣化挙動(受託研究)

武内 伴照; 柴田 裕司; 花川 裕規; 上原 聡明*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦; 熊原 肇*; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

JAEA-Technology 2017-026, 26 Pages, 2018/02

JAEA-Technology-2017-026.pdf:4.0MB

原子力施設でシビアアクシデントが発生した際に、プラント状態を監視し、緊急時対応を円滑に実施するためには、信頼性の高い伝送技術が必要である。本研究では、水中で伝送可能な可視光無線伝送システムの構築を目指して、LEDやフォトダイオード等の光学部品に対して10$$^{6}$$Gyまでの$$gamma$$線の照射による影響を調べた。その結果、LEDは全光束が減少するとともに樹脂レンズ部が着色した。フォトダイオードの電流-電圧特性にはほとんど変化は無かった。フォトダイオードは、受光感度が減少するとともに窓材の樹脂が着色したが、暗電流は伝送に悪影響を与えるほどの大きさにはならなかった。これらの結果から、両素子を無線伝送システムに適用する場合に考慮すべき特性劣化の主因は、半導体部分の劣化ではなく、樹脂の着色によって発光及び受光量が減少することによるものであることが示唆された。また、発光・受光回路部を環境から隔離するための窓材や、外乱ノイズ光を軽減するための光学フィルタとして、各種ガラスについても$$gamma$$線照射による透過率の減少を評価し、伝送システムの構築に向けた基礎データを取得した。

論文

原子炉燃料プールにおける2次元画像パターンによる情報伝送

八束 純司*; 柴垣 太郎*; 大塚 紀彰; 武内 伴照; 土谷 邦彦; 駒野目 裕久*

ビジョン技術の実利用ワークショップ(ViEW 2017)講演要旨集(USB Flash Drive), 6 Pages, 2017/12

原子炉建屋内にある使用済燃料プールを監視するための無線伝送システムの開発を行っている。本システムは、光信号を利用して水温等の測定データを水中で無線により送信するものである。これまで、光源をLEDアレイにし、2次元コードとすることで、多くの情報を高精度で送信できることを可能にした。しかしながら、実際に使用する環境では、受信機は水中の外側に設置するため、水中にあるLEDアレイからの発光パターンは水面状態に大きく影響され、高精度の測定データの送信が困難であった。本研究では、ゆらぎ等が発生している水面状態においても、より高精度の測定データを送信するための画像処理・解析システムを開発した。本開発では、受信機で取得した発光パターンより閾値以上の輝度値を求め、その分布及び輝度重心を算出し、この輝度重心を発光中のLEDと仮定することにより、LEDアレイの発光パターンとして読み取る方式とした。この結果、ゆらぎを発生させた水面状態における発光パターンの認識率は、本システムを使用していない認識率の約15%に対して、システム使用時には認識率は約90%となり、水面状態の影響による伝送精度の向上に資することができた。

論文

Development of radiation-resistant in-water wireless transmission system using light emitting diodes and photo diodes

武内 伴照; 柴田 裕司; 大塚 紀彰; 上原 聡明; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 63(5), p.2698 - 2702, 2016/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:76.09(Engineering, Electrical & Electronic)

福島第一原子力発電所事故の教訓から、耐放射線性を有する水中無線伝送システムの開発を開始した。本研究では、$$gamma$$線照射下におけるLEDとフォトダイオード(PD)の発光及び受光素子としての適用性を調べた。この結果、市販のLED及びPDに対する1MGyまでの$$gamma$$線照射試験から、光学的特性の劣化主因は、半導体部の照射損傷ではなく、樹脂レンズ部の放射線着色であることが示唆された。一方、使用候補であるLED及びPDを用いた水中5mにおける光伝送を検討したところ、光吸収や1MGy時の暗電流増加を考慮しても受光が可能な信号レベルであると見積もられた。以上より、LED及びPDを用いた耐放射線性を有する水中無線伝送システムの構築に見通しが得られた。

論文

耐放射線性を有する水中無線伝送システムの開発

武内 伴照; 大塚 紀彰; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

日本保全学会第13回学術講演会要旨集, p.379 - 386, 2016/07

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や教訓を踏まえ、過酷事故時においても水中における信号伝送が可能な無線システムの高度化に向けた基盤技術開発に取り組んだ。使用する送受信方式の選定や構成部品の耐放射線性評価を終え、要素的な技術開発を完了した。さらに、これらの要素技術を踏まえた送受信系を試作して水中環境を模擬した伝送試験を実施した。その結果、気泡や浮遊物等が存在する水中環境においても環境ロバスト性を有しており、水中5m間の可視光による無線伝送が十分に可能であることが示され、システム開発に目途を付けた。今後は、水中伝送性能のさらなる安定性向上や、放射線環境下におけるセンサ計測データ処理を確証し、システムの技術的な完成を目指す。

口頭

水中無線伝送システムのための発光・受光素子の$$gamma$$線劣化特性

柴田 裕司; 花川 裕規; 武内 伴照; 上野 俊二; 上原 聡明; 土谷 邦彦; 荒木 政則; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

過酷事故時の安全対策高度化のひとつとして、過酷環境下でも対応可能な情報伝送システムの確立が求められている。本研究では、水中かつ高放射線環境下における無線伝送システムの構築を目指して、可視光を用いた光通信に着目し、発信及び受信素子の候補として、それぞれ発光波長の異なる発光ダイオード(LED)3種類及び窓材の異なるフォトダイオード(PD)3種類を選定し、10$$^{6}$$Gyまでの$$gamma$$線照射前後における特性を調べた。その結果、LEDは照射によりレンズ(エポキシ系樹脂)が赤茶色に着色されるとともに、全光束は発光波長の短いLEDほど大きく減少した。また、照射前後における電流-電圧特性はほとんど変化しなかった。一方、PDは、窓材に着色のみられたものは受光感度が減少し、短波長領域でより顕著であった。また、暗電流は照射前後でほとんど変化しなかった。以上のことから、本線量の範囲では、全光束や受光感度が減少した主因は、$$gamma$$線照射による半導体の劣化ではなく、レンズや窓材で使用している樹脂の着色であることが示唆された。

口頭

軽水炉安全対策のための高性能監視システムの開発,3 環境ロバストな水中無線伝送システム設計

武内 伴照; 柴田 裕司; 上野 俊二; 上原 聡明; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

東京電力福島第一原子力発電所事故への教訓として、原子力施設で過酷事故が発生した際に、プラント状態を監視し、状況把握能力の向上を図るための水中環境でも使用可能な無線伝送システムが望まれている。これまで、水中伝送方式として可視光を選定し、発光・受光素子(LED及びフォトダイオード)の耐放射線性を明らかにしてきた。本研究では、過酷事故時に想定されるガレキ及び懸濁や気泡のある水中環境においても、高い信頼性を持つ環境ロバストな可視光無線伝送システム設計を行った。この結果、発信器をLED2次元アレイ、受信器をカメラ(イメージセンサ)とするシステム構成を採用することにより、発信時にパターン信号と明滅信号を重畳することで、水中環境が変化しても伝送が可能である見通しを得た。

口頭

Development of radiation resistant in-water transmission system using visible light with environmental robustness

武内 伴照; 大塚 紀彰; 中野 寛子; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*; 土谷 邦彦

no journal, , 

過酷事故の際の使用済み燃料プール内のデータ取得及び伝送や、原子炉建屋が水で満たされる場合を想定して、水中における無線伝送システムを検討した。本研究では、水中環境が変化した場合でも安定した伝送を可能とするための、環境ロバスト性を有するか施行水中無線伝送システムの試作を行った。設計したシステムでは、発光ダイオードは2次元マトリックス配列とし、フォトダイオードはCMOSイメージセンサに置き換えた。2次元送受信システムの環境ロバスト性を確認するために、水中における気泡の有無や数を変化させて水中送受信試験を実施した。その結果、パターン信号よりも点滅信号の方が気泡の影響を受けにくく、ロバスト性に優れることが分かった。また、表面実装型の発光ダイオードの方が、砲弾型のものよりも2次元マトリックス上の各発光点の弁別性に優れていることが分かった。一方で、発光素子の耐放射線性を確認するため、発光ダイオードに対する$$gamma$$線照射試験を実施した。その結果、表面実装型の方が吸収線量に対する全光束の現象が小さく耐放射線性の面からも同発光ダイオードが伝送システムの発光素子として有利であることが分かった。

口頭

$$gamma$$線環境下における水中無線伝送システム光学機器の評価

大塚 紀彰; 武内 伴照; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

原子力発電所における監視システム高度化の一環として、使用済燃料プール内の温度、水位等の情報を送受信可能とするLEDを用いた光無線伝送システムの開発を行っている。本研究では、伝送システムの送信機に用いる表面実装型LEDについて、$$gamma$$線照射による影響を調べた。発光波長が465nm(青), 522nm(緑)及び635nm(赤)の発光波長をもつ表面実装型LEDを積算線量1, 10, 100及び1000kGyまで線量率10kGy/hの条件で照射した結果、LEDレンズに対する$$gamma$$線の影響及び照射後の赤色光LEDが$$gamma$$線環境下における光通信を実行可能な全光束を保持していることを明らかにした。また、赤色光LEDを20$$times$$20に配した2次元マトリックス送信ユニットによる$$gamma$$線環境下における送信試験を実施した結果、受信側でのパターン認識も可能であることを明らかにした。

口頭

過酷環境下における水中無線伝送システムの評価

大塚 紀彰; 武内 伴照; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

原子力発電所における監視システムの高度化の一環として、過酷事故時でも使用済燃料プール内の温度、水位等の計測データを送受信可能な水中無線伝送システムの開発を行っている。過酷事故時の水中環境を想定した場合、気泡、濁度、障害物等により、光通信による情報伝達が困難であった。本研究では、受信用デジタルカメラのシャッター速度の高速化と発光点のトラッキングによる水面揺らぎの影響軽減を行い、各種環境下における発光パターンの認識率に与える影響を調べた。この結果、シャッター速度30fpsかつトラッキングなしの場合、気泡供給数が少ない条件においても画像が乱れ、認識率のばらつきも大きく、150個/minでは発光パターンの認識率は約0.1であった。一方、150個/minでシャッター速度300fpsかつトラッキングありの時、認識率は0.95以上と安定した画像を取得した。以上より、過酷事故に想定される水環境においても、光による無線伝送できる見通しを得た。

口頭

可視光信号を用いた水中無線伝送式監視システムの開発

大塚 紀彰; 武内 伴照; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

no journal, , 

原子力施設の安全性高度化に資する技術開発の一環として、使用済燃料プールの水温・水位に関する測定データを外部に送信することで、過酷事故時でも使用済燃料の監視が可能な水中無線伝送システムの開発を行っている。本システムは使用済燃料近傍にて使用することから、システムに用いる電子部品を85$$^{circ}$$C以下にすることが必要である。そこで、高い蓄熱性を有するVO$$_{2}$$蓄熱材(以下、蓄熱材)に着目し、電子部品の温度を長時間85$$^{circ}$$C以下に保持する方法について検討を行った。本研究では、蓄熱材を充填した容器を85$$^{circ}$$Cで加熱し、蓄熱材の温度変化を測定した。また、最大1MGyまでの$$gamma$$線を照射した蓄熱材を用いて、照射前と同様の試験体系での温度変化を測定し、$$gamma$$線照射による蓄熱材の温度特性に及ぼす影響も調べた。この結果、蓄熱材の温度が70$$^{circ}$$Cに到達するまでの時間は、照射前が4.1時間、照射後が4.0時間であり、$$gamma$$線による蓄熱材への影響はないことが分かった。

特許

光無線通信装置、光無線通信方法および光無線通信システム

武内 伴照; 柴田 裕司; 上野 俊二

柴垣 太郎*; 野沢 省吾*

特願 2014-195743  公開特許公報  特許公報

【課題】光無線通信において、通信状態が変化した場合においても、受信側から送信側への情報伝送速度の変更指示を要さずに、安定したデータの通信を可能にする。 【解決手段】送信側には、情報を2次元コードに対応した光パターンで表示可能な表示手段と、送信情報を光パターンで表示させるための2次元符号化データに変換する手段と、送信情報を時系列データに変換する手段と、光パターンが時系列データに基づいて強度変調されるように、2次元符号化データと時系列データとを重畳する手段と、そのデータに基づいて前記表示手段を駆動する手段と、を有する送信装置100を設ける。受信側には、表示手段を撮影するカメラ210と、カメラが撮影した映像から光パターンを読取って送信情報を復元する手段と、光パターンの強度変調状態から送信情報を復元する手段と、を有する受信装置200を設ける。

特許

光無線通信システム、該システム用光受信装置および光無線通信方法

武内 伴照; 大塚 紀彰

柴垣 太郎*; 八束 純司*; 野沢 省吾*

特願 2017-057879  公開特許公報

【課題】情報を2次元コードに対応した発光パターンで表示可能な表示面をそれぞれ有する複数の送信装置と、複数の送信装置の表示面を撮影するカメラおよびその映像から発光パターンを抽出する抽出部を有する受信装置と、を備える光無線通信システムにおいて、通信状態が変化した場合にでも、複数の送信装置から送信される2次元コードを確実且つ効率よく取得できるようにする。 【解決手段】カメラの画面に対し、送信装置毎にその表示面が含まれる必要十分な領域を設定する。そして、表示面の作動のタイミング、期間および周期に対応して、その設定された領域に対し300F/Sの高速度の画像取り込み処理を実行して光パターンを抽出し、情報復元手段に転送するための画像取り込み処理を行う。

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