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論文

Ultrasensitive resonance ionization mass spectrometer for evaluating krypton contamination in xenon dark matter detectors

岩田 圭弘; 関谷 洋之*; 伊藤 主税

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 797, p.64 - 69, 2015/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:32.14(Instruments & Instrumentation)

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化する上で、クリプトン及びキセノン共鳴イオン化用レーザーの安定性及び操作性向上が必要不可欠である。レーザーシステムの安定化に関連した研究として、東京大学宇宙線研究所と共同でキセノンガスに含まれるクリプトン不純物濃度の評価に関する研究を行っている。論文では、共振器を組まない光パラメトリック発生(OPG)光学系を開発し、クリプトン共鳴イオン化に用いる波長212.6nmのレーザー波長安定性が従来の光パラメトリック発振器(OPO)と比較して1桁程度向上した結果を報告した。開発したレーザーにより、純アルゴンガスに不純物として含まれる濃度0.4ppt程度のクリプトン検出に成功した。主成分がキセノンの場合はクリプトン感度が半分程度に低下するが、キセノンに濃度ppt程度以下含まれる極微量なクリプトンの検出が可能な見通しを得た。

口頭

管理型掘削土(ズリ)の酸性・中和現象と今後の課題

山西 毅; 関谷 美智; 佐高 裕之; 北川 義人*; 加藤 欣也*

no journal, , 

日本原子力研究開発機構が、北海道幌延町において建設を進めている深度500m程度の立坑等からなる深地層の研究施設において、平成22年2月末で換気立坑約250m、東立坑約210mまでの掘削を完了した。本建設に伴い発生する掘削土は、自然由来ではあるものの環境基準値を超過する特定有害物質が含まれていることから、土壌汚染対策法の「遮水工封じ込め型」に準じた掘削土置場に搬出し盛土している。平成22年3月末で搬出開始から33か月以上が経過したことから、搬出した掘削土の性状を建設現場内に設置した分析室にて確認した。本稿においては径年変化に伴う掘削土の酸性・中和化の現象と、今後の展望について報告する。

口頭

土壌溶出試験のろ過時間短縮に関する検討

板橋 秀治; 関谷 美智*; 佐高 裕之; 島田 智浩*; 加藤 欣也*

no journal, , 

日本原子力研究開発機構は、北海道幌延町において深地層研究施設の建設を進めている。本発表は、研究施設建設時に発生する掘削土(ズリ)の分析手法についての考察を行ったものである。施工に伴い発生する掘削土(ズリ)には、自然由来であるものの、第二種特定有害物質であるカドミウム・ひ素・セレン・フッ素・ホウ素が含まれていることから、土壌汚染対策法の「遮水工封じ込め型」に準じた構造である掘削土(ズリ)置場に搬出している。搬出の際には、建設現場内に設置した分析室にて溶出試験を実施し(以下「現地分析」とする)、第二溶出量基準以下であることを確認している。本稿では現地分析の迅速化、及びその場合の精度について検討し、その妥当性の検証を行った。

口頭

レーザー共鳴イオン化を用いたキセノン中ラドン除去の検討

岩田 圭弘; 関谷 洋之*; 伊藤 主税

no journal, , 

キセノンを用いた暗黒物質探索実験では、バックグラウンドをいかに低く抑えられるかが重要である。特に、ラドン($$^{222}$$Rn)は光電子増倍管等の検出器に含まれるウラン系列の放射性不純物から定常的に放出されるため、キセノンを循環させながら連続的に除去する必要がある。活性炭等によるラドン吸着は可能であるが、キセノン自体も吸着されるという問題点がある。そこで、パルスレーザーを用いてラドンのみを選択的に共鳴イオン化し、静電場により除去する手法を検討している。レーザー共鳴イオン化は、元素に固有のエネルギー準位間に相当する波長のレーザーを照射することで当該元素のみをイオン化し、他元素には感度を持たない特徴を有する。ラドンに適用する場合、効率を考えて基底状態からの共鳴励起に波長178.6nmもしくは145.2nm等の真空紫外(VUV)光が必要となる。発表では、クリプトン(Kr)ガスセルを用いた共鳴四波混合によるVUV光の生成、及び波長178.6nmについては固体の非線形結晶を用いた波長変換の可能性について説明する。

口頭

キセノン中のラドン除去に向けた真空紫外レーザーの開発

岩田 圭弘; 関谷 洋之*; 伊藤 主税

no journal, , 

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化するうえで、クリプトン及びキセノンの共鳴イオン化効率向上が要求されている。従来の波長200-300nm紫外光による2光子共鳴励起に代えて、新たに波長100-200nm真空紫外(VUV)光による1光子共鳴励起の適用性を検討している。まずは、同族の希ガス元素の中で共鳴励起波長が最も長くVUV光生成の光学系が容易であるラドンに着目し、クリプトン・キセノン混合ガスセルを用いた共鳴四波混合により波長145.2nm VUV光を生成した。発表では、共鳴四波混合の原理に加えて、クリプトン・キセノン混合比を調整することで位相整合による波長変換効率の向上について詳細を述べる。

口頭

キセノン中のラドン除去に向けたラドン共鳴イオン化の観測

岩田 圭弘; 関谷 洋之*; 伊藤 主税

no journal, , 

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化するうえで、真空紫外(VUV)光の1光子共鳴励起によるクリプトン及びキセノン共鳴イオン化効率の向上について検討している。まずは、同族の希ガス元素の中で共鳴励起波長が最も長くVUV光生成が容易であるラドンに着目し、ラドン共鳴イオン化に向けたVUV光学系の開発を行っている。発表では、空気中のラドンを濃縮した試料を用いて、飛行時間型質量分析計によりラドン共鳴イオン化事象を観測した結果を報告する。

口頭

レーザー共鳴イオン化を用いた希ガス不純物の安定的な除去に関する研究

岩田 圭弘; 関谷 洋之*

no journal, , 

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化する上で、(1)クリプトン及びキセノン共鳴イオン化効率の向上、(2)レーザーシステムの安定化の2点が必要不可欠である。前者について、真空紫外(VUV)光の1光子励起による共鳴イオン化を検討している。VUV光を用いた希ガス分析に関連した研究として、東京大学宇宙線研究所と共同でキセノンガスに含まれる不純物ラドンの安定的な除去に関する研究を行っている。ラドンは希ガス元素の中で共鳴励起波長が最も長くVUV光生成が容易であることから、まずはラドン共鳴イオン化を実証し、クリプトン及びキセノンに適用する計画を立てている。ラドン共鳴イオン化用の真空紫外(VUV)レーザー開発において、Kr/Xe混合ガスセルを用いた共鳴四波混合を利用し、波長145.2nmのVUV出力約7$$mu$$J/pulseを得た。また、空気中のラドンを冷却活性炭で回収した試料に対して、飛行時間型質量分析計によるラドン共鳴イオン化事象の観測を行っており、発表ではこれまでの進捗状況を報告する。

口頭

レーザー共鳴イオン化を用いたラドン除去手法の開発状況

岩田 圭弘; 関谷 洋之*; 伊藤 主税

no journal, , 

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化する上で、(1)真空紫外(VUV)光の1光子励起によるクリプトン及びキセノン共鳴イオン化効率の向上、(2)レーザーシステムの安定化・操作性向上の2点が必要不可欠である。VUV光を用いた希ガス分析に関連した研究として、東京大学宇宙線研究所と共同でキセノンガスに含まれる不純物ラドンの安定的な除去に関する研究を行っている。ラドンは希ガス元素の中で共鳴励起波長が最も長くVUV光生成が容易であることから、まずはラドン共鳴イオン化を実証し、クリプトン及びキセノンに適用する計画を立てている。発表では、共鳴イオン化した希ガス不純物を電場で安定的に除去する手法について開発状況を報告する。主成分ガスの循環ラインの一部にレーザー照射及び電場印加領域を設けて、不純物イオンを垂直方向にドリフトし冷却活性炭又は冷却ガラス管に吸着する。アルゴンガス中のクリプトン又はキセノンで電場除去の原理を検証した後、キセノンガス中のラドンに適用する。

口頭

Development of a Rn removal system for future Xe-based neutrino detectors using resonant ionization

関谷 洋之*; 岩田 圭弘; 伊藤 主税

no journal, , 

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化する上で、(1)真空紫外(VUV)光の1光子励起によるクリプトン及びキセノン共鳴イオン化効率の向上、(2)レーザーシステムの安定化・操作性向上の2点が必要不可欠である。VUV光を用いた希ガス分析に関連した研究として、東京大学宇宙線研究所と共同でニュートリノ検出器に用いるキセノンガスに含まれる不純物ラドンを安定的に除去する手法の開発を行っている。ラドンは希ガス元素の中で共鳴励起波長が最も長くVUV光生成が容易であることから、ラドン共鳴イオン化を実証した後、クリプトン及びキセノンに適用する計画を立てている。発表では、ラドン共鳴イオン化用VUVレーザーの開発、及び微量クリプトン含有アルゴンガスを用いた電場除去システムの構築について現状を報告する。

口頭

レーザー共鳴イオン化を用いた希ガス不純物測定

岩田 圭弘; 関谷 洋之*; 伊藤 主税

no journal, , 

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化する上で、(1)真空紫外(VUV)光の1光子励起によるクリプトン(Kr)及びキセノン(Xe)共鳴イオン化効率の向上、(2)レーザーシステムの安定化$$cdot$$操作性向上の2点が必要不可欠である。(1), (2)に関連した研究として、東京大学宇宙線研究所と共同でXeガスに不純物として含まれるラドン(Rn)の除去、及び濃度pptレベルKr分析に関する研究を行っている。Rn除去では、希ガス元素の中で共鳴励起波長が最も長いRnについて共鳴イオン化用VUVレーザーを開発し、VUV光生成技術をKr及びXeに適用する計画を立てている。Kr定量分析では、分析精度向上に直結するレーザー波長$$cdot$$出力安定化を目的とした光学系開発を行っており、上記(2)につながるものである。発表では、Rn除去について高効率な共鳴イオン化に必要となる真空紫外レーザーの開発、及び空気中に含まれるRnを用いた共鳴イオン化実験の現状を説明する。また、Xeガス中のKr定量分析について濃度pptレベルの検出が可能であることを実証し、従来の大気圧イオン化質量分析と比較したメリットを述べる。

口頭

レーザー共鳴イオン化を用いた希ガス不純物の安定的な除去に関する研究

岩田 圭弘; 関谷 洋之*

no journal, , 

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化する上で、(1)真空紫外(VUV)光の1光子励起によるクリプトン(Kr)及びキセノン(Xe)共鳴イオン化効率の向上、(2)レーザーシステムの安定化・操作性向上の2点が必要不可欠である。(1), (2)に関連した研究として、東京大学宇宙線研究所と共同でXeガスに不純物として含まれるラドン(Rn)の除去、及び濃度pptレベルKr分析に関する研究を行っている。Rn除去では、共鳴イオン化用の波長145.2nm $$sim$$ VUVレーザーを開発し、VUV光生成技術をKr, Xe共鳴イオン化に適用する計画を立てている。Kr定量分析では、分析精度向上に直結するレーザー波長・出力安定化を目的として共振器を組まない光学系開発を行っており、上記(2)につながるものである。発表では、Rn除去について空気中に含まれるRnを用いた共鳴イオン化観測の現状を説明する。また、Kr定量分析では主成分Xe中に濃度pptレベル含まれるKrが検出可能であることを実証し、従来の大気圧イオン化質量分析と比較したメリットを述べる。

口頭

Measurement of noble gas impurities in xenon dark matter detectors using resonance ionization mass spectrometry

岩田 圭弘; 関谷 洋之*; 伊藤 主税

no journal, , 

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化する上で、クリプトン及びキセノン共鳴イオン化用レーザーの安定性及び操作性向上が必要不可欠である。レーザーシステムの安定化に関連した研究として、東京大学宇宙線研究所と共同でキセノンガスに含まれる(1)クリプトン及び(2)ラドン不純物測定に関する研究を行っている。発表では、(1)クリプトン測定について純アルゴンガスに濃度0.4ppt程度含まれる不純物クリプトン検出、及びキセノン中クリプトン分析に対する適用性の詳細を説明し、(2)ラドン測定について共鳴四波混合を用いた波長145.2nm真空紫外光生成、及び空気中ラドン測定の進捗状況を説明する。

口頭

レーザー共鳴イオン化を用いた希ガス不純物測定,2

岩田 圭弘; 関谷 洋之*; 伊藤 主税

no journal, , 

レーザー共鳴イオン化質量分析法をベースとした高速炉用タギング法破損燃料位置検出(FFDL)システムを実用化する上で、(1)真空紫外(VUV)光の1光子励起によるクリプトン(Kr)及びキセノン(Xe)共鳴イオン化効率の向上、(2)レーザーシステムの安定化$$cdot$$操作性向上の2点が必要不可欠である。(1), (2)に関連した研究として、東京大学宇宙線研究所と共同でXeガスに不純物として含まれるラドン(Rn)の除去、及び濃度pptレベルKrの定量分析に関する研究を行っている。Rn除去では、希ガス元素の中で共鳴励起波長が最も長いRnについて共鳴イオン化用VUVレーザーを開発し、VUV光生成技術をKr及びXeに適用する計画を立てている。Kr定量分析では、分析精度向上に直結するレーザー波長$$cdot$$出力安定化を目的とした光学系開発を行っており、上記(2)につながるものである。発表では、Rn除去について共鳴イオン化及び電場引き出しで構成される除去システムの概要、及び波長145.2nm真空紫外レーザーを用いた空気中ラドン共鳴イオン化実験の進捗状況を説明する。また、Kr定量分析についてXMASS検出器の試料ガスに対するKr濃度の測定結果を報告する。

口頭

高速増殖原型炉「もんじゅ」燃料取扱設備運転経験のFBR次期炉への反映検討について

暦本 雅史; 安藤 将人; 近澤 佳隆; 加藤 篤志; 浜野 知治; 塩濱 保貴; 宮川 高行*; 鵜澤 将行*; 原 裕之*; 山内 和*; et al.

no journal, , 

(1)緒言: FBR次期炉における有望な概念としてナトリウム冷却炉が検討されている。この場合、現在廃止措置が進められている「もんじゅ」において、燃料交換及び燃料処理時のナトリウム中等の燃料取扱い等の運転経験にかかる実績を取得することにより有効な知見が得られることが期待できる。これら「もんじゅ」の運転経験を分析・調査することにより、FBR次期炉設計へ反映すべき項目の整理を行う。(2)燃料取扱設備に係る運転データ等の知見整理及びFBR次期炉へ反映する項目の抽出: 2.1燃料交換時間、燃料処理時間燃料交換及び燃料処理において、各運転操作に係る所要時間の実績を整理し、分析を行った結果、「もんじゅ」の設計値を大きく上回るプロセスはなく、設計時間どおりに動作していることを確認した。ここで、1体あたりの処理時間に大きな割合を占めた燃料洗浄設備の燃料洗浄工程や脱湿工程については、更なる分析を踏まえ、運用方法の見直し等による更なる短縮化を検討していく必要がある。また、気圧の変化によるガス置換時間の増加も確認され、FBR次期炉では、想定すべき低気圧を考慮した設計検討を行う必要がある。2.2燃料出入機本体に係る、グリッパ爪開閉トルク上昇の不具合、ドアバルブの全閉不良の不具合これらは、付着ナトリウムの湿分等による化合物化に伴う堆積が原因であった。FBR次期炉においてはナトリウムが堆積しにくい構造や燃料洗浄設備における湿分除去対策などについて設計検討を行う必要がある。また、メカニカルシールの摩擦抵抗の増加及び経年劣化も確認され、FBR次期炉ではメカニカルシールの摩擦抵抗低減策などについて設計検討を行う必要がある。(3)結論: 「もんじゅ」の廃止措置において得られた知見を用いて整理,分析を行い、燃料洗浄設備,燃料出入機本体の設計検討への反映項目を抽出した。FBR次期炉においても「もんじゅ」に準じた燃料取扱設備機器を使用することが想定され、これらの成果によりFBR次期炉の燃料取扱設備へ反映することで燃料交換時間短縮や不具合解消が期待できる有用な成果を得ることができた。本報告は、経済産業省からの受託事業である「令和2年度 高速炉に係る共通基盤のための技術開発事業」の一環として実施した成果である。

口頭

硫酸Gd水溶液中におけるGd$$^{3+}$$イオン発光寿命の測定

岩田 圭弘; 関谷 洋之*; 伊藤 主税

no journal, , 

ランタノイド元素の一つであるガドリニウム(Gd)について、レーザー誘起蛍光(LIF)を用いた硫酸Gd水溶液中のGd$$^{3+}$$イオン発光寿命測定に関する研究を行っている。本研究では、励起光源に波長266nmのナノ秒パルスレーザーを使用し、波長312nmの発光を分光器で波長分離して光電子増倍管で検出した。発光寿命は2ms程度と測定され、他のランタノイドイオンと比較して寿命が長いことがわかった。

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