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論文

A Consideration on the use of shear waves to improve the sensitivity of an optical ultrasonic sensor for under-sodium viewers

猿田 晃一; 白濱 卓馬*; 山口 智彦; 上田 雅司

E-Journal of Advanced Maintenance (Internet), 10(2), p.1 - 8, 2018/08

The present work is intended to investigate shear waves induced on stainless steel diaphragms by the incidence of ultrasonic waves, with the main emphasis on the understanding of the generation mechanism of the resultant second wave, in order to explore the possible use of the shear waves for improvement of the sensitivity of an optical ultrasonic sensor used for under-sodium viewers. The response of the diaphragms exposed to ultrasonic waves with different pressure profiles is measured by a heterodyne interferometer to examine the location where the shear waves are excited. The generation of the second wave is interpreted on the basis of interference of these shear waves. The effectiveness of the use of the shear waves is demonstrated by an improved sensitivity of 0.26 nm/kPa for a 3-mm-diameter and 5-$$mu$$m-thick diaphragm. This sensitivity is approximately 7 times as high as the sensitivity achieved with the first wave, which is the displacement of the diaphragm caused by directly incident ultrasonic waves.

論文

Effects of metallic diaphragms on sensitivity characteristics of an optical ultrasonic sensor and reduction of interrogation time based on wavelength division multiplexing for under-sodium visual inspection

猿田 晃一; 山口 智彦; 上田 雅司

E-Journal of Advanced Maintenance (Internet), 7(4), p.NT75_1 - NT75_8, 2016/02

We have experimentally examined the effects of the metallic diaphragms on the sensitivity characteristics of an optical ultrasonic sensor and investigated the multiplexed interrogation of the diaphragms based on WDM technique. The experimental results show that the sensitivity can be increased by use of thinner and lighter diaphragms. It has also been found that by taking advantage of the interference of the lamb waves propagating through the diaphragm, the sensitivity can be further enhanced by a factor of approximately 5 to 6 with decreasing diameter. The multiplexed interrogation based on WDM technique has been demonstrated in the case of two wavelengths. From this experimental demonstration, we consider that the interrogation time can be significantly reduced by increasing the number of multiplexed wavelengths.

論文

Effects of metallic diaphragm on sensitivity characteristics of optical ultrasonic sensor for under-sodium inspection

猿田 晃一; 山口 智彦; 上田 雅司

EUR-27790-EN, p.209 - 214, 2016/00

We report the effects of the metallic diaphragm on the sensitivity characteristics of the optical ultrasonic sensor used in under-sodium inspection. The diaphragm is set on the wall of a tank filled with water in place of sodium to have direct contact with water on one side and air on the other side. A heterodyne interferometer is employed to detect the wave on the diaphragm induced by the ultrasonic wave emitted from a piezoelectric transducer placed in the water tank. Two kinds of waves appear on the diaphragm: the first corresponds to the incident ultrasonic wave and the second is surface wave arising from the peripheral of the diaphragm. We found that the first wave increases with decreasing thickness of the diaphragm, while the second wave is dependent on both the thickness and diameter. Moreover the second wave has larger amplitude than the first wave due to interference effect at the center of the diaphragm. This result suggests that the small amplitude of the incident ultrasonic wave can be detected with a higher sensitivity by using the second wave on the diaphragm.

論文

Multi-point strain measurement using FBG-OTDR optical fiber sensor

猿田 晃一; 小林 喬郎*

EUR-26577-EN, p.490 - 496, 2014/07

Fiber Bragg gratings (FBGs) are one of the promising sensor elements for structural health monitoring due to multi-point sensing capability of strain with a high sensitivity and spatial resolution. While current FBG strain sensors based on wavelength domain have been established and found a variety of applications, the number of FBGs in a single sensing arm is in practice limited up to several tens. This number of FBGs is insufficient to develop effective structural health monitoring systems by taking full advantage of multiplex capability of FBG sensors. We report a design and experimental demonstration of FBG strain sensor based on optical-time domain reflectometry (FBG-OTDR). In the presented method strain is measured as a change in the optical power reflected from FBGs, and each FBG signal is separated in time domain. Thus the number of FBGs is not limited by the spectrum range of the light source and the grating bandwidth. The experimental results show that 50 sensing points in a single sensing arm can be measured with an rms error of less than 1 microstrain.

論文

耐熱FBGを用いた高速炉プラント健全性監視システムの開発; 耐熱FBGのひずみ計測性能評価

猿田 晃一; 月森 和之; 島田 幸洋; 西村 昭彦; 小林 喬郎*

日本保全学会第6回学術講演会要旨集, p.219 - 222, 2009/08

フェムト秒レーザを使用してシングルモード光ファイバのコアに形成した耐熱fiber Bragg grating(FBG)のひずみ計測性能の評価を行った。耐熱FBGとひずみゲージを金属片に取り付け、4点曲げ法によって負荷を与えてBragg波長シフトとひずみ量を計測した。Bragg波長は、開発したBragg波長決定アルゴリズムによりスペクトラム強度を重み付けに利用して求めた。市販されている常温用FBGセンサとの比較実験の結果、耐熱FBGのひずみ感度は0.34pm/$$mu$$$$varepsilon$$であり、常温用FBGセンサの約1/4の感度であったが、実験値の標準偏差から推定したひずみ計測精度は、$$pm$$3$$mu$$$$varepsilon$$となり、開発したアルゴリズムを用いることにより、常温用FBGセンサの精度$$pm$$2$$mu$$$$varepsilon$$と同程度の精度が得られることが示された。

報告書

高温工学試験研究炉の1次上部遮へい体の昇温防止対策; 実機炉心における確認試験結果について

橘 幸男; 本谷 浩二*; 小嶋 崇夫; 竹田 武司; 江森 恒一; 猿田 徹; 伊与久 達夫; 國富 一彦

JAERI-Tech 2000-026, p.61 - 0, 2000/03

JAERI-Tech-2000-026.pdf:2.18MB

高温工学試験研究炉において、非核加熱で1次ヘリウムガスを昇温する試験を実施中にスタンドパイプ内雰囲気及び1次上部遮へい体の温度が想定以上に上昇した。スタンドパイプ内構造物の一部構造変更後、温度は大幅に低下したが十分ではなかった。そこで、追加の昇温防止対策について検討し、確認試験により決定した。昇温防止対策を所定のスタンドパイプに設置した後、確認試験を再度実施し、昇温防止対策の効果について最終的に確認した。本報告は、再度実施した確認試験の結果及び昇温防止対策の効果についてまとめたものである。有限要素法解析の結果、定格条件での1次上部遮へい体最高温度は、確認試験と同条件で67$$^{circ}C$$、実機パージガス流量配分条件で75$$^{circ}C$$となり、1次上部遮へい体の設計温度88$$^{circ}C$$を満足できる見通しを得た。

報告書

HTTR不純物濃度測定試験;確認試験(3)における測定

坂場 成昭; 江森 恒一; 猿田 徹

JAERI-Tech 99-072, p.125 - 0, 1999/10

JAERI-Tech-99-072.pdf:5.85MB

HTTRの1次系には黒鉛の酸化防止及び配管材の腐食防止の観点から、1次系温度400$$^{circ}C$$以上において不純物濃度を規定している。系内の化学的不純物であるH$$_{2}$$,CO,H$$_{2}$$O,CO$$_{2}$$,CH$$_{4}$$,N$$_{2}$$,O$$_{2}$$はヘリウム純化設備の酸化銅反応筒、モレキュラーシーブトラツプ(MST)、コールドチャコールトラップ(CCT)を用いて除去され、不純物濃度はヘリウムサンプリング設備の水分計及びガスクロマトグラフ質量分析計により測定される。本報では、系統別・総合機能試験の確認試験(3)において、HTTRとして初めて実施された、ヘリウムサンプリング設備の自動サンプリングを用いた正規の手順による不純物濃度測定試験について、不純物濃度変化を示すとともに、トラップの除去効率、除去速度及び除去量について評価した結果を示す。系統の到達温度約210$$^{circ}C$$までにおいて、酸化銅反応筒、CCTについては、十分な除去能力を有していることが確認された。また、MSTにおいては1次系のCO$$_{2}$$に対する除去能力は十分であることが確認されたものの、H$$_{2}$$O及び2次系のCO$$_{2}$$に対しては想定値を下回った。今後は、出力上昇試験初期の不純物濃度に規定のない1次系温度400$$^{circ}C$$以下までの段階において、MSTの除去能力について再度検討・評価する。

口頭

耐熱FBGによる高温構造物の振動変形モニタリング技術の開発,4; 耐熱FBGの波長特性向上試験

島田 幸洋; 西村 昭彦; 猿田 晃一; 月森 和之; 吉川 将成*; 小林 喬郎*

no journal, , 

大型構造物の変形.振動を常時監視する方法としてFBGセンサシステムは有力な方法であるが、現在実用化されているセンサはFBRのNa冷却配管等の高温条件下では使用できない。一方、フェムト秒パルスレーザーを使用した加工技術の進展により、耐熱性の有る微細加工が可能となった。われわれはこの手法を用いて石英光ファイバコアへの非可逆的な加工を行い耐熱性有るFBGセンサを開発している。今回は加工系の改善によって反射スペクトラム波長特性の向上を図った。同時に変形,振動測定のためのFBGセンサシステムの構築を開始し、構成部品である波長可変ファイバレーザ光源の製作を行った。

口頭

超短パルスレーザーによるFBGセンサの製作と性能評価

島田 幸洋; 西村 昭彦; 猿田 晃一; 月森 和之; 小林 喬郎*

no journal, , 

FBGとはコア内に周期的な屈折率構造を持つ光ファイバセンサであり、特定の波長の光を反射させる性質を持つ。その波長は温度または歪みに対して感応するため、構造物に装着することで状態センサとして使用することができる。しかし通常使用されているFBGセンサは紫外光の干渉露光で製作するために高温耐性を持たない。われわれはこの問題を解決すべく、チタンサファイアレーザーを用いたpoint by point法にてFBGを作成した。作成したFBGセンサに対して600$$^{circ}$$C,1時間の加熱試験を行った所、反射波長特性は大きく変化せず高温耐性が有る構造であることを確認した。近年、原子力発電所の耐震保全基準の見直しが始まっている。プラント内の高温伝熱配管等の健全性を遠隔測定する手段として、本研究で開発を行っている耐熱FBGセンサシステムは強力な方法となる。

口頭

フェムト秒レーザを用いたpoint by point加工による耐熱fiber Bragg gratingの製作

島田 幸洋; 西村 昭彦; 猿田 晃一; 月森 和之; 小林 喬郎*

no journal, , 

光ファイバのコア中に作成した周期的屈折率構造はBraggの回折条件で決定される特定の波長の光を反射する。この波長は温度又は歪みの変化の影響を受けることからセンサとして使用することが可能であり、これをFBG(fiber Bragg grating)センサという。遠隔計測が可能、電気雑音の影響を受け難い等の優れた特徴を持つことから、建築物等のヘルスモニタリングセンサとして既に広く実用化されているが、一般に商品化されているFBGセンサは紫外光の干渉露光によってコア中の屈折率変化を誘起しているため、200$$^{circ}$$C以上の高温下では屈折率変調構造が消失するので使用することは困難である。一方近年のフェムト秒レーザ微細加工技術の進歩により、高脆化材料への光の波長程度の精度での加工が可能となった。われわれはpoint-by-point法によって短周期型のFBGを直接加工作成し、反射波長及び温度特性の測定を行った。

口頭

耐熱FBGによる高温構造物のモニタリングシステムの開発課題

島田 幸洋; 西村 昭彦; 猿田 晃一; 月森 和之; 小林 喬郎*

no journal, , 

超短パルスレーザーを用いた微細加工により耐熱性のあるfiber Bragg grating(FBG)センサが製作された。製作したセンサの特性に最適化した検出システムを設計製作し、模擬プラントにおける配管の歪みと振動計測の試験がなされた。これまでの開発の結果を総括し、今後の開発課題を明らかにする。

口頭

レーザ干渉計を用いた回転機器のAEの非接触計測に関する基礎的研究

大田 恭史; 猿田 晃一; 野口 章太郎; 上田 雅司

no journal, , 

回転機器の異常時のAE特性を把握するためにマイケルソン型干渉計を用いて、AEの非接触計測の状態監視技術としての可能性を検証した。内輪軌道部に模擬欠陥を付与した軸受を用いて1794.3rpmで回転している鏡面シャフト($$phi$$30mm)の曲面部に対し、干渉計によりAEを測定可能であることを確認した。また、軸受箱を測定した場合に比べ、高いピーク周波数のAEを検出可能であることを確認した。

口頭

FBG-OTDR方式光ファイバセンサによる多点ひずみ測定

猿田 晃一

no journal, , 

近年、原子力発電所においては、安全性および信頼性に対する要求の高まりを反映し、原子力機器を監視する構造健全性監視システムの導入が積極的に検討されている。ファイバーブラッググレーティング(FBG)は、耐電磁誘導性など光ファイバセンサ共通の利点に加え、高感度,高精度,高分解能でひずみや温度の多点測定が可能であることから、特にFBGを用いた状態監視システムの開発が活発に進められている。本発表では、FBGと光時間領域反射測定法(OTDR)を組み合わせたFBG-OTDR光ファイバセンサについて報告する。既存の波長領域多重化法(WDM)に基づくFBGセンサでは、1つのセンサアレイ中のFBG多点化数が数10個に制限されるのに対し、FBG-OTDR法では300個以上の多点化が可能である。また測定時間も1ms以下とFBG-WDM法の1/100以下である。50個のFBGからなるセンサアレイを用いた実験結果から、本手法は1.4$$mu$$$$varepsilon$$のひずみ測定精度を有することが示された。本提案手法により原子力発電プラントの実時間、高精度構造健全性監視システムの開発が可能になる。

口頭

金属膜を用いたナトリウム中検査用光学式超音波センサの感度特性

猿田 晃一; 山口 智彦; 上田 雅司

no journal, , 

ナトリウム中検査用光学式超音波センサの超音波受信部である金属膜について、直径、膜厚などのパラメータが検出感度・特性に与える影響を実験的に評価した。円形開口を設けた平板に金属膜を接合し製作した受信部に、水中を伝搬する超音波を入射し、膜に生じる振動をヘテロダイン干渉計で検出した。金属膜には、直接入射した超音波による振動と開口周部から伝搬する表面波が発生する。前者は直径には依存せず、膜厚が小さいほど大きな振幅が得られた。一方、後者は、直径、膜厚が小さいほど振幅が増幅する傾向が見られた。したがって、小径, 薄膜の金属膜により検出感度の向上が可能になると考えられる。

口頭

ナトリウム工学研究施設における高速炉の保全技術開発

上田 雅司; 山口 智彦; 猿田 晃一

no journal, , 

ナトリウム工学研究施設は、ナトリウム取扱技術の高度化及び高速炉の安全性向上等を目的とした研究開発を行う施設として、「もんじゅ」に隣接する福井県敦賀市に整備された。本施設は「もんじゅ」の安全・安定運転を支援するとともに、国際協力・地域との連携協力の拠点としての役割も期待されている。本施設は、鉄骨造3階建て、建築面積約700m$$^{2}$$、約5.5トンのナトリウムを保有する危険物取扱施設であり、保全技術開発ループ試験設備、多目的ナトリウムセル試験設備、グローブボックス型試験設備及びミニループ試験設備を有する。本施設では、ナトリウム機器の遠隔保守技術、もんじゅ用ISI装置高度化及びプラントモニタリング技術を中心に、高速炉の保全技術に係る研究開発を行う。

口頭

The R&D Programs of Maintenance Technology for FBR Monju Using the Sodium Engineering Research Facility

猿田 晃一; 山口 智彦; 上田 雅司

no journal, , 

In 2015 Japan Atomic Energy Agency has introduced a new facility to conduct a variety of research and development activities in a sodium environment at Tsuruga, Fukui-prefecture, where the demonstration of the prototype fast reactor Monju is ongoing since the achievement of the first criticality in 1994. This facility, named Sodium Engineering Research Facility (SERF), accommodates a large-scale and a small-scale sodium circulation loop system, glove boxes, and multipurpose test cells in a three-story building, occupying a 700-square-meter area. The primary missions of SERF are: to develop inspection and maintenance technologies for a sodium-cooled fast reactor, with an emphasis on improving the safety and reliability of the operation and the handling techniques for the sodium coolant; to provide fundamental understandings of phenomena observed in a severe accident; and to support the operation of Monju by providing solutions to technical problems and potential development needs. In this paper we present an overview of SERF and some of the research and development programs that are currently under consideration.

口頭

Evaluation of the applicability of laser measurement techniques for the instrumentation of fast reactors using Sodium Engineering Research Facility

上田 雅司; 猿田 晃一; 山口 智彦

no journal, , 

A new facility named Sodium Engineering Research Facility (SERF) was built to conduct a variety of research and development activities in a sodium environment beside the prototype fast breeder reactor Monju. In this facility experimental equipment (a large-scale sodium circulation loop system, glove boxes, and multipurpose test cells) is installed in a three-story building, occupying a 700-square-meter area. In SERF, the following R&Ds on laser measurement techniques for the fast reactors will be carried out from the viewpoint of diversity in nuclear plant instrument. SERF is poised to play an important role in the research community of fast reactor technologies and make great contributions to the local community through its research and development activities.

口頭

レーザー溶断適応制御機能の高度化に関する研究開発; 溶融金属が発する光信号を利用したレーザー溶断制御方法の検討

水谷 春樹; 猿田 晃一; 亀井 直光; 村松 壽晴

no journal, , 

レーザー・革新技術共同研究所ではレーザー溶断中に各種センサーの測定結果から溶断状態を判定し加工条件を修正し続けることで溶断状態を良好に保つレーザー溶断適応制御機能を研究開発している。現在、溶断部の表面の放射光を測定した光センサーの信号電圧と溶断状態に相関がみられ、これを用いて溶断状態を判定し加工条件にフィードバック制御を行うレーザー溶断制御方法を実験的に検討している。実験を通じ板厚が2mmから50mmまで徐々に変わるSS400試験体を用いて機能の検証試験を行い、効果を確認した。また、廃止措置での解体作業を想定してレーザー溶断時に発生するスパッタ等の溶融金属を効率的に回収する方法も合わせて検討している。これらの試験で得られた知見と今後の方針を報告する。

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