レーザアブレーション現象の理解にもとづく水中レーザ誘起ブレークダウン分光法の定量性向上

松本 歩

レーザ加工学会誌, 23(3), p.222 - 231, 2016/10

本論文は、著者の博士論文の内容をまとめた総合論文である。本研究では、水中レーザ誘起ブレークダウン分光法(LIBS)の定量性向上を目的として、レーザアブレーション現象の解明に取り組んだ。主な成果として、水中微小プラズマに対して発光スペクトルの空間分解測定を行い、ターゲット由来の元素と溶液由来の元素の空間分布を明らかにした。この結果をもとに、検出位置を最適化すれば、共鳴線の自己吸収を十分に抑制できること、検出器の時間ゲートなしで先鋭な発光線が得られることを示した。次に、溶液由来の元素は、その濃度比を維持したままプラズマに移行することを見出し、アブレーション初期過程における液体の蒸発メカニズムと溶存種の内部標準としての可能性を示した。また、電解析出とLIBSを組み合わせることで、水中重金属イオンの高感度定量分析に成功した。このとき、ロングパルス照射による電極表面の熱伝導と構成原子の蒸発速度を考慮したモデルを構築し、析出物の組成比とプラズマ中の原子密度比の違いを補正した。これらの結果は、水中レーザプラズマの生成メカニズムに新たな知見を与えるとともに、水中LIBSの精度向上のための指針となり得る。

Development and contribution of RF heating and current drive systems to long pulse, high performance experiments in JT-60U

森山 伸一; 関 正美; 寺門 正之; 下野 貢; 井手 俊介; 諫山 明彦; 鈴木 隆博; 藤井 常幸; JT-60チーム

Fusion Engineering and Design, 74(1-4), p.343 - 349, 2005/11

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2005.06.060

JT-60Uにおいて、高プラズマの長時間維持等を目指した最大65秒間放電を継続する実験を行っている。電子サイクロトロン(EC)装置は、加熱だけでなくリアルタイムで入射角度を制御できるアンテナを開発し、電流分布制御や新古典テアリングモードの抑制による閉じ込め性能改善に貢献している。これまでに2.8MW, 3.6秒(10MJ)の入射を達成しているが、プラズマの長パルス化にあわせて0.6MW, 30秒の入射を目指している。伝送系冷却と真空排気の増強,耐ノイズ性能を高める改造とともに導波管型の1MW定常模擬負荷を用いたジャイロトロン動作の調整を行い、8.7秒間のプラズマへの入射と16秒間(400kW/ユニット)のジャイロトロン出力に成功している。ジャイロトロンのパルス幅延伸には、長時間の電子放出でカソード温度が下がりビーム電流が減少して発振条件がずれる問題への対処が重要であり、パルス中にヒータ電力,アノード電圧を上げる制御を行うことで良好な発振条件を持続させることに成功した。一方、低域混成波(LH)電流駆動装置では長年の実験で変形したステンレス製アンテナ先端を炭素化する改造を行い、入射パワーと耐熱負荷性能の向上が期待される。これまでに5.1MJまでの入射を達成しておりエージングを継続中である。

Actively-cooled plasma electrode for long pulse operations in a cesium-seeded negative ion source

藤原 幸雄; 渡邊 和弘; 奥村 義和; Trainham, R.*; Jacquot, C.*

Review of Scientific Instruments, 76(1), p.013501_1 - 013501_5, 2005/01

https://doi.org/10.1063/1.1823611

セシウム添加型の負イオン源における長パルス運転用のプラズマ電極を開発した。セシウム添加型負イオン源では、プラズマ電極の温度を負イオン生成に適する300C程度に維持することが必要である。冷却パイプを熱絶縁のためのスペーサを介してプラズマ電極にロー付けする構造を新たに提案、3次元熱解析により設計を行い製作した。実際に負イオン源に組み込み負イオンビーム生成試験を行った結果、長パルス試験において温度が約280Cに維持できることを確認でき、本強制冷却方式が長パルス運転用電極に有効であることを確認できた。

JT-60U ECH装置用110GHzジャイロトロンの運転実績

高橋 正己*; 関 正美; 下野 貢; 寺門 正之; 五十嵐 浩一*; 石井 和宏*; 春日井 敦

JAERI-Tech 2003-080, 27 Pages, 2003/11

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JT-60Uでは、局所的な加熱・電流駆動によるプラズマの安定性改善や予備電離の実験を行うことを目的として、電子サイクロトロン加熱(ECH)装置を導入してきた。JT-60UのECH装置は、動作周波数110GHz・高周波出力約1MWの発振管(ジャイロトロン)4基を持ち、2基の可動ミラー型アンテナを使用してJT-60Uプラズマへ入射するシステムである。110GHzを含む極めて高い周波数のミリ波帯での高出力発振は10年前まではなく、近年ITER用に開発されてきたジャイロトロンで初めて実現された。そのため、ジャイロトロンの運転にはさまざまな調整が必要である。ヒーターエージング後に、磁場調整,アノード電圧調整により1MWの発振条件を見つけ、その後、パルス幅を伸ばすエージングを行い、秒オーダーの運転を実現した。さらに、高出力,長パルスで安定な運転を行うため、ジャイロトロン管内で発生する不要高周波を吸収するRF吸収体を内蔵する改良を行った。その結果、1MW-5秒の設計目標を達成するとともに、4基のジャイロトロンでプラズマに約10MJの世界最高のミリ波エネルギーを入射できた。

A Frame-cooled plasma grid for long pulse operations in a cesium-seeded volume negative ion source

藤原 幸雄; 奥村 義和; 渡邊 和弘; Trainham, R.*; Jacquot, C.*

Review of Scientific Instruments, 73(2), p.298 - 304, 2002/02

https://doi.org/10.1063/1.1435845

ITER用負イオン源に向けて、3次元シミュレーションを用いて、温度,応力解析を行い長パルス運転用の周辺冷却型プラズマ電極を設計した。セシウム添加型イオン源では、負イオンを効率よく生成するために電極の温度を一様に300前後に維持することが必要である。ITER用電極のサブセグメントに相当する周辺冷却型電極を製作し、負イオン生成実験を行った。その結果、電極温度が定常的に300程度に維持できることを確認した。

High power negative ion beam development for heating and current drive in fusion plasmas

渡邊 和弘; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 前野 修一*; 水野 誠; 小原 祥裕; 奥村 義和; 鈴木 靖生*; 田中 秀樹*; 田中 政信*

Proc. of 14th Int. Conf. on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, p.371 - 378, 1993/00

核融合プラズマの加熱及び電流駆動の有力候補である高エネルギー中性粒子入射装置(NBI)を実現するために、負イオン源の大電流化、長パルス化・高エネルギー化の研究開発を進めている。大電流化に関しては、既に10AのHビームを生成することに成功し見通しを得ている。次の長パルス化に関して、50keV,0.3AのHビームを24時間連続生成することに成功した。また、50keV,0.5Aで1000秒の出力に成功した。この時の電流密度はJT-60U用負イオン源の設計値にほぼ等しい14mA/cmである。高エネルギー化に関しては、14mm単一孔加速電極系で300keV、17mAで発散角5.5mradの収束性の良いビーム生成に成功し、孔数9個の多孔電極系を用いて、300keV、100mAのHビームを得た。これらによって、負イオンNBI実現に大きく近づいた。

Extraction of 10sec/75keV/70A Ion Beams at Prototype Neutral Beam Injector Unit for JT-60

秋場 真人; 荒木 政則; 堀池 寛; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 栗山 正明; 北村 繁; 松田 慎三郎; 松岡 守; 向田 秀敏*; et al.

JAERI-M 82-045, 13 Pages, 1982/05

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JT-60原型ユニットは1981年11月に完成し、直ちに実証試験運転が開始された。原型ユニットはJT-60NBIの14ユニットの建設に先立ち、その性能を実証するための装置である。本レポートは、これまでに得られた原型ユニットの実験結果をまとめたものである。主な結果は次の通りである。(1)75keV,70Aのイオンビームを10秒間安定に発生させる事ができた。(2)イオン源および各機器の性能も設計値通りであることを確認した。(3)JT-60からの漏洩磁場が存在しても、ビームはほとんど影響を受けず、PLTおよびCulham効果などは発生しないことを確認した。

Measurement of impurities in a long-pulse,multiampere hydrogen beam

奥村 義和; 水谷 泰彦*; 小原 祥裕; 柴田 猛順

Review of Scientific Instruments, 52(1), p.1 - 7, 1981/00

https://doi.org/10.1063/1.1136439

プラズマ加熱用中性粒子ビーム中に含まれる不純物の量が、磁場質量分析器を用いて測定された。75KeV/6A/10secイオン源から引き出され、90%中性子平衡セルを通過した後のイオンビームは、1~2%の軽元素不純物(C、O、HO等)と、0.02~0.15%の重金属不純物(Cu、W、Ag等)を含んでいる。中性化効率を考慮すると、中性ビームは3~6%の軽元素不純物と0.04~0.3%の重金属不純物を含んでいると推察される。酸素に関する不純物の量は、10秒のパルス中に時間とともに減少する。一方、炭素・銅・タングステンの不純物は、時間とともにわずかに増加する。これらの不純物の発生場所を論じ、不純物量を減らすためのイオン源の運転モードを提案する。

Fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy of solid samples in air with long nanosecond pulse

松本 歩; 大場 弘則; 利光 正章; 赤岡 克昭; 若井田 育夫

no journal, , 

To observe the inside of the damaged nuclear reactors in Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, a fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) instrument has been developed. Recently, a long pulse laser is expected to avoid the damage of an optical fiber probe and to enable the transmission of higher energy. However, the laser ablation process of solid samples in air with the long pulse has not been clarified enough. In this study, temporal variations of the plasma emission were measured with short and long nanosecond pulses. As a result, the delay time from the pulse irradiation to the plasma generation and the temporal profile of the emission intensity are considerably different depending on the pulse duration. The difference of the plasma formation process during the pulse irradiation may affect the LIBS signal observed after several microseconds.

Basic R&D on decommissioning of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station and application of Laser Remote Analysis for in-core and in-situ monitoring of debris

若井田 育夫; 大場 弘則; 赤岡 克昭; 大場 正規; 松本 歩; 宮部 昌文; 池田 裕二*; 作花 哲夫*; 平等 拓範*

no journal, , 

福島第一原子力発電所の廃炉には、広範囲で基礎基盤的研究開発と実際の作業技術へのマッチングが求められており、日本原子力研究開発機構の廃炉国際共同研究センターは、その中心的な研究開発機関の一つである。事故炉内の迅速・簡便・高放射線環境下でのその場遠隔分析技術として、光による分析技術を基本とし、耐放射線性光ファイバーを活用したレーザー誘起発光分光法(LIBS)が有力な分析手法として挙げられる。光ファイバーLIBSを炉内デブリのその場分析技術として開発し、その基本特性を取得し、10kGy/hの放射線環境下でも利用可能であることを確認した。さらに、より高い信号を得るために、ロングパルスレーザーLIBS、マイクロ波支援LIBS、炉内でのマイクロチップレーザーLIBS技術を開発している。

過酷事故炉を対象とした迅速遠隔分析技術開発,9-1; 福島第一原子力発電所廃炉における燃料デブリのレーザーその場遠隔分析技術開発の現状と挑戦-2

若井田 育夫; 大場 弘則; 赤岡 克昭; 狩野 貴宏; 坂本 寛*; 中西 隆造*; 柏倉 俊介*; 平等 拓範*; 池田 裕二*; 出口 祥啓*

no journal, , 

福島第一原子力発電所廃炉における燃料デブリ等の簡易その場スクリーニング分析を目指し、レーザー誘起ブレークダウン分光(LIBS)を活用した遠隔その場分析技術開発を実施している。様々な適用場面を想定し、長遠隔分析を実現するためのマイクロチップレーザーLIBS、信号増倍を図るマイクロ重畳LIBS、含水試料に対応するロング・ショートレーザー二重照射LIBS等の光ファイバーLIBS化を図っている。信頼性を図るため、核燃料物質や使用済燃料での評価を進めるとともに、Co照射による耐放射線性の確認も実施する。また、AI機械学習を導入し、得られたスペクトルから組成比を自動的評価する挑戦も開始した。