レーザー光による計測・分析技術の開発

レーザー光による計測・分析技術の開発
1. はじめに
レーザー同位体分離、レーザー計測を主テーマとして研究を進
めてきた。レーザー光の周波数を原子や分子の遷移周波数に同調
すると特定の原子や分子を選択的に励起できる。選択励起はレー
ザー同位体分離の重要なプロセスであり、また微量成分分析に広
く利用されている。レーザー同位体分離の研究では、Gd、Zr、B
などを対象として原子分子の分光学的データを測定するととも
に、選択励起の高効率化をめざして、各種励起法とそのダイナミ
クス、非標的同位体との近共鳴相互作用が選択励起に及ぼす効果
などを研究してきた。レーザー計測では光反応や電気放電などで
生じる反応生成物を選択励起を利用して検出する方法について
研究し、水中のハロゲンイオンや絶縁ガス中の不純物を高感度で
検出する技術を開発している。
【図１：3 本の直線偏光レーザーを用いた同位体分離実験】
は３本の直線偏光のレーザー光を照射して奇数の質量数を持つ
図１：3 本の直線偏光レーザーを用いた同位体分離実験
同位体を分離する実験結果である。各運動量量子数が J＝２、１、
2.2
１、０となる遷移経路を利用した場合、(a)偏光方向が異なって
近共鳴効果と同位体分離性能
いるとすべての同位体が電離されるが、(b)偏光方向をそろえる
と奇数の同位体のみを電離できる。さらに(c)同位体シフトを併
原子法レーザー同位体分離プラントでは複数のレーザーパルス
用すると一つの同位体を分離できることを示している。
が金属蒸気中を長距離伝播する。レーザー光は標的となる同位体
原子の遷移周波数に共鳴しており、非標的同位体原子とは同位体
2. レーザー同位体分離の研究
シフトだけ離れた近共鳴状態にある。伝播とともにレーザー光は
標的同位体の励起や電離によりエネルギーを失うが、非標的同位
2.1
レーザー同位体分離プロセス
体との近共鳴相互作用によって波形、周波数、空間分布が伝播と
原子法レーザーウラン濃縮法のシステム設計に資することを目
ともに変化する。
的として、原子の多段階光電離プロセスを実験およびシミュレー
近共鳴相互作用は原子蒸気の非線形屈折率とその分散に依存
ションの両面から研究してきた。基底準位と準安定準位を利用す
し、レーザー光の伝播遅れ、パルス波形の急峻化、自己位相変調
るΛ型励起におけるコヒーレントトラップ現象とその抑制法、超
などを誘起する時間的な近共鳴効果と自己収束、自己発散、ビー
微細構造を有する原子の励起に有効な周波数チャープパルスを
ムブレークアップを引きおこす空間的な近共鳴効果に大別でき
用いる断熱高速通過法、核スピンの有無による遷移の選択則の違
る。これらの効果が標的同位体の励起・電離特性に及ぼす影響を
いを利用した多段階励起法などを解析し、効率よく原子を電離す
評価するためシミュレーションコード CEALIS-P を開発し、同位
る条件を明らかにした。また多段階光電離法を利用した Gd や Zr
体分離特性を解析してきた。CEALIS-P は２つの同位体原子を含む
の同位体分離、赤外多光子解離法による B 同位体分離のプロセス
3 段階光電離系において、レーザーパルスの伝播と原子の励起プ
についても研究を行っている。
ロセスを同時に計算するコードである。
1
図２：空間的にリプルを持つレーザーパルスの伝播特性
計算結果の一例を【図２：空間的にリプルを持つレーザーパル
図３：近共鳴効果によるイオン化率の減少
スの伝播特性】に示す。レーザーA、B は選択励起段、中間励起段
に対応し、それぞれのレーザーパルスの時間、空間強度分布が伝
果に関しては、レーザー光の伝播遅れに対する解析式と波形変形
播とともにどのように変化するかを示したものである。入射レー
に対するモデルを用いてイオン化率の伝播距離依存性や必要な
ザーパルスの時間、空間分布はスーパーガウス型で、選択励起段
入射レーザーエネルギーを算出しうる簡易公式を導き出し、レー
には空間的にリップルをもたせた。伝播距離は規格化距離 Zeff
ザー光の利用効率を最大にするレーザーパルス幅を評価できた。
＝βNZ/Nphoton で与えてある。ここにβ、N、Z、Nphoton はそれ
空間的な近共鳴効果に対する比例則についても研究を継続して
ぞれ標的同位体の自然存在比、原子蒸気密度、実際の伝播距離、
いる。
入射レーザー光の光子密度をあらわす。選択励起段のレーザーパ
3. レーザーによる微量分析
ルスの伝播速度は光速より遅く、伝播とともに２つのレーザーパ
ルスの時間的な重なりが減少する。また、選択励起段の空間的な
3.1
強度リプルは伝播とともに成長し、中間励起段のレーザーパルス
にも強度分布にリプルがあらわれる。Zeff＝0.76 では２つのレー
水中ハロゲンイオンの定量分析
原子力発電所冷却水には不純物濃度を ppb 以下に抑えた超純水
ザーパルスは時間的に完全に分離してしまっている。
が用いられており、水質管理基準にしたがって監視、制御されて
【図３：近共鳴効果によるイオン化率の減少】に標的同位体原
いる。不純物の分析は主として化学的手法によりオフラインで行
子のイオン化率が伝播距離とともに変化する様子を計算した結
われ、不純物の種類によっては濃縮が必要になっている。これに
果の一例を示す。図中□印は近共鳴効果を考慮しない場合、○印
代わる方法としてレーザー誘起蛍光法が開発され、金属イオンの
は時間的な近共鳴効果、すなわち選択励起段レーザーパルスの伝
検出が可能となっているが、ハロゲン元素には適用できない。そ
播遅れのみを考慮した場合、△印は空間的な近共鳴効果、すなわ
こで光電子放出反応を利用したハロゲン元素の定量分析法を開
ち空間強度分布リプル成長の効果をも考慮した場合の結果であ
発した。
る。近共鳴効果がない場合、伝播に伴いレーザーエネルギーが減
ハロゲン元素は水中では負イオンの形で存在し、紫外域に吸
少するためイオン化率は低下する。近共鳴効果があるとイオン化
収帯をもっている。例えば塩化物イオン Cl－は 174nm に吸収ピー
率の低下はより顕著になり、有効伝播距離はこの例の場合半分程
クがあるが、190nm 以下の波長域では水自体による吸収が大きく、
度に減少している。このように同位体分離プラントの設計に際し
単純な光吸収法は適用できない。ArF レーザー光（193nm）を照射
ては非標的同位体原子による近共鳴効果を十分考慮することが
すると
Cl－ + hν → Cl + e－
重要である。
シミュレーションコードを用いた解析はレーザー光の伝播効
Cl + Cl－ →
Cl2－
果をとり入れて同位体分離性能を評価するのに極めて有効であ
の反応が誘起され、Cl や Cl2－が生成される。これらはそれぞれ
るが、最大の欠点は計算に長時間を必要とすることである。この
320nm、340nm に吸収ピークがある。
ため、シミュレーションによる解析結果を援用しながら、近共鳴
上記の光反応は ns～ms の過渡的な現象であるが、フラッシ
効果を解析しうる比例則の導出を試みている。時間的な近共鳴効
ュホトリシスの手法により生成物の吸光度が測定可能で、Cl－
2
イオンの定量分析に適用できることを明らかにした。吸光度測定
用に He-Cd レーザー（325nm）を用い、多重反射型の吸収セルを
導入したとき、Cl－イオンの検出限界として 15ppb が得られた。
この方法の特長はオンラインモニタリングが可能であるこ
とで、Cl－以外にも Br－、I－、SCN－、SO42－などの定量分析に適用
できる。
3.2
SF6 分解生成物の検出
SF6 ガスは化学的に安定であり絶縁耐力が高く、高電圧機器内の
絶縁材として広く利用されている。しかしながら長期間の使用に
おいては過熱や放電により分解生成物が生じることが知られて
いる。TEA CO2 レーザーを用いた光音響分光法により分解生成物
検出試験を実施中である。
【図４：SF6 の放電による光音響スペク
トルの変化】に He と SF6 の混合ガス中で放電を行わせた場合の
図４：SF6 の放電による光音響スペクトルの変化
光音響スペクトルの変化を示す。放電によって 9.6μm 帯の長波
長側で大きな信号の変化が観測されており、分解生成物による信
号であると予測している。ガスクロマトグラフによる分析では
SO2、SF2O2、SF2O などの存在が検出されており、光音響信号の詳
細についても検討を続けている。
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