(57)【要約】【課題】例えば原子炉の冷却系における測定対象元素の濃度を測定する場合、従来より測定対象試料にレーザー光を照射し、このレーザー光を照射することにより生じたプラズマからの蛍光を測定し、試料中に含まれる特定の元素を測定するレーザー誘起ブレークダウン分光法が知られている。しかしこの測定方法では測定に先立ち、レーザー照射位置や照射角度などの調整を正確に行う必要があり、調整に高度な熟練した技術が要求され、測定信頼性に劣るという問題点を有している。【解決手段】測定対象試料１に対して２方向からレーザー光５ａ，５ｂを照射するとともに、レーザー照射位置をモニターする撮像装置１２を設ける。この撮像装置１２の撮影した映像を基にレーザー光の照射状況を正確に確認し、プラズマ発光形状の映像を正しい状態となるように照射光学系６を調整することにより正確な照射位置調整を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を測定対象試料に対して２方向から照射する照射光学系と、レーザー照射位置をモニターするための撮像装置と、前記レーザー光照射により生じたプラズマからの蛍光を集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された光強度を分光測定する波長弁別素子と、波長弁別された光強度を測定するための光検出素子と、その出力を解析して測定対象試料中の元素濃度を算出する解析装置とを備えたことを特徴とする元素濃度測定装置。
【請求項２】
レーザー照射位置をモニターするための撮像装置に測定波長のみを選択的に透過させる光学フィルターを設けたことを特徴とする請求項１記載の元素濃度測定装置。
【請求項３】
レーザー照射位置をモニターするための撮像装置を互いに直交する位置で集光点に向けて設置したことを特徴とする請求項１記載の元素濃度測定装置。
【請求項４】
一方の撮像装置には測定波長のみを選択的に透過させる学フィルターを設け、他方の撮像装置には測定波長から僅かに離れた波長のみを選択的に透過させる光学フィルターを設けたことを特徴とする請求項３記載の元素濃度測定装置。
【請求項５】
プラズマの発光状態を撮影した撮像装置の映像を基に照射光学系を調整する光軸制御機構を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の元素濃度測定装置。
【請求項６】
プラズマの発光状態を撮影した撮像装置の映像を基に測定対象試料の位置を調整する試料制御機構を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の元素濃度測定装置。
【請求項７】
レーザー光を測定対象試料に対して所定の間隔をもって２回照射する照射光学系と、レーザー照射位置をモニターするための撮像装置と、前記レーザー光照射により生じたプラズマからの蛍光を集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された光強度を分光測定する波長弁別素子と、波長弁別された光強度を測定するための光検出素子と、その出力を解析して測定対象試料中の元素濃度を算出する解析装置とを備えたことを特徴とする元素濃度測定装置。
【請求項８】
前記レーザー光を測定対象試料に対して所定の間隔をもって２回照射することを特徴とする請求項１記載の元素濃度測定装置。
【請求項９】
発光状態を撮影した撮像装置の映像を基に二つのレーザーパルスに対して集光位置をそれぞれ調整する集光光学系制御機構を備えたことを特徴とする請求項７または８のいずれかに記載の元素濃度測定装置。
【請求項１０】
発光状態を撮影した撮像装置の映像を基に二つのレーザーパルスに対して夫々の照射方向を調整する集光光学系制御機構を備えたことを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の元素濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子炉の冷却系における検出対象元素の濃度を計測もしくは監視する元素濃度測定装置に係わり、特に試料へのレーザー照射により生じたプラズマからの蛍光を測定することにより試料中に含まれる特定の元素濃度を定量的に測定する元素濃度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加圧水型原子炉（ＰＷＲ）では１次系温度変化に伴う反応度変化や炉心の燃焼に伴う反応度変化は１次冷却材のホウ素濃度により制御する。このため、冷却水の水質管理が特に重要となってくる。
【０００３】
前記のごとく、従来原子炉の冷却系における検出対象成分の濃度を測定するための手段として測定対象試料にレーザー光を照射し、このレーザー光を照射することにより生じたプラズマからの蛍光を測定し、試料中に含まれる特定の元素を測定する、いわゆるレーザー誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ法）が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、その高感度化技術として、測定対象試料に対してレーザー光を所定の入射角をもって左右両方向から照射する手段や、所定の時間間隔をもって二つのレーザーパルスを照射する等の手段も知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１２１５５８号公報（第３頁左欄段落番号［０００３］〜［０００７］、第７図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の測定対象成分の濃度を測定するための手段では、測定に先立ちレーザー照射位置や照射角度などの調整を正確に行うことが必要であり、レーザー照射位置の調整などに高度の熟練した技術が必要であった。
【０００７】
このため作業者の操作技術習熟が難しく、測定結果の信頼性も低かった。さらに測定対象成分の濃度が低い場合、レーザー照射状況が測定感度に大きな影響を与えるため、測定精度の信頼性が低かった。
【０００８】
本発明の目的は、取り扱いが容易で、調整も容易に行え、作業者による測定精度のばらつきをなくし、常に測定精度の信頼性の高い元素濃度測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の元素濃度測定装置の発明は、レーザー光を測定対象試料に対して２方向から照射する照射光学系と、レーザー照射位置をモニターするための撮像装置と、前記レーザー光照射により生じたプラズマからの蛍光を集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された光強度を分光測定する波長弁別素子と、波長弁別された光強度を測定するための光検出素子と、その出力を解析して測定対象試料中の元素濃度を算出する解析装置とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項７に記載の元素濃度測定装置の発明は、レーザー光を測定対象試料に対して所定の間隔をもって２回照射する照射光学系と、レーザー照射位置をモニターするための撮像装置と、前記レーザー光照射により生じたプラズマからの蛍光を集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された光強度を分光測定する波長弁別素子と、波長弁別された光強度を測定するための光検出素子と、その出力を解析して測定対象試料中の元素濃度を算出する解析装置とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【００１２】
図示するごとく、測定対象試料が水中に含まれる微量元素の場合、試料１をノズル２より噴出させ気中に液膜３を生成する。この液膜３上にプラズマを発生するレーザー装置４からレーザー光５を鏡、レンズなどにより構成される照射光学系６により誘導し、照射する。このレーザー照射により生じたプラズマ発光を蛍光集光光学系７で集光し、集光された蛍光を分光計測するための分光器もしくは光学フィルターなどの波長弁別素子８と、波長弁別素子８により出力された所定の波長成分の光の強度を測定する光検出器９と、光検出器９からの電気的出力１０を解析装置１１により増幅、解析して元素濃度を算出する。また、レーザー照射により生じたプラズマ発光状況を撮影するためのＣＣＤカメラ１２を設けている。
【００１３】
一方、レーザー光５はビームスプリッター１３により二つのレーザー光５ａ、５ｂに２分割され、夫々照射光学系６により試料液膜３上に集光照射される。集光されたレーザー光のエネルギー密度が数１００ＭＷ以上に達すると絶縁破壊が生じ、集光点にプラズマが発生する。このプラズマ中では試料に含まれる各元素が電離、励起されるため、各元素固有の波長を持つ光（蛍光）が放射される。プラズマ発光を蛍光集光光学系７により集光し、測定対象元素の蛍光強度を波長弁別素子８により分光計測することにより測定対象元素濃度が求められる。
【００１４】
このとき二つのレーザー光軸の調整がずれている場合、すなわち、二つのレーザービームの交叉点が液膜３より後方に位置したり、あるいは二つのレーザービームの交叉点が液膜３より前方に位置したりするような場合、生成するプラズマは図２（ｂ）、（ｃ）に示すように互にそのプラズマ生成ポイントが離れ、図２（ａ）、（ｄ）に示すような本来のプラズマに比較して図２（ｅ）に示すように弱小なものとなる。また、レーザー光５ａ、５ｂの照射光軸を正しく調整した場合でも試料供給状況が変動した場合など液膜位置が変動し、結果的に正しい照射状況からずれたプラズマ生成となる。このようなレーザー照射位置のずれに伴う信号強度の変動例を図３に示す。
【００１５】
また、実際のプラズマ発光は輝度の高いものであり、かつパルス状の発光であるため、肉眼での観察では比較的大きな光軸ずれ以外では図２に示すような発光状況の確認は困難である。
【００１６】
本発明においては、ＣＣＤカメラ１２を用いてレーザー照射位置をモニターしている。ＣＣＤカメラ１２による撮像ではカメラに対する入射光をフィルターにより減衰させ、また絞りにより入射光強度を適正化することにより輝度の高い発光でもプラズマ発光状況を正確に映像化することができる。また、パルス毎の映像を計算機などにより積算処理し表示することにより発光状況の揺らぎを平均化して照射状況を正確に確認することが可能となる。このようにして得られたプラズマ発光形状の映像を正しい状態となるように照射光学系６を調整することにより、作業者の技量に係わらずレーザー光の正確な照射位置調整が行え、測定信頼性を向上することとができる。
【００１７】
図４は本発明の第２の実施の形態を示す概略構成図である。以下の実施の形態の説明において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００１８】
本実施の形態においては、図１に示す第１の実施の形態において、プラズマ発光状況をモニターするＣＣＤカメラ１２を２台１２ａ、１２ｂ用意し、この２台のＣＣＤカメラ１２ａ、１２ｂを互いにほぼ直交する位置で、集光点に向けて配置する。このようにすることにより集光点におけるプラズマ発光状況を二つの角度から三次元的に撮影する。この撮影像により照射レーザー光の縦、横両方向のずれを確認することができ、この結果をもとにより正確に照射光学系６を調整することができ、測定信頼性を向上することができる。
【００１９】
図５は本発明の第３の実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態においては、図１または図４に示す第１または第２の実施の形態において、プラズマ発光状況をモニターするＣＣＤカメラ１２または１２ａ、１２ｂの入射レンズに測定対象物質からの蛍光波長のみを透過する光学フィルター１４を取り付けている。一般にプラズマからの発光はプラズマの温度が高い場合黒体幅射となり、図６（ａ）に示すように、測定対象となる元素スペクトルの背景に強い発光が出現する。
【００２０】
本実施の形態においては、図６（ｂ）に示すようなフィルター透過特性を有する光学フィルター１４により測定する蛍光以外の波長での黒体幅射発光などがＣＣＤカメラ１２に入射することを阻止するので、プラズマ発光が強い条件下や強い蛍光を放射する元素が共存する状況下でも図６（ｃ）に示すように正確なプラズマ生成状況を撮影し、確認することができる。
【００２１】
図７は本発明の第４の実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態においては、プラズマ発光状況をモニターする二つのＣＣＤカメラ１２ａ、１２ｂの入射レンズに取りつけられた光学フィルター１４ａ、１４ｂにおいて、一方の光学フィルター１４ａは測定対象物質からの蛍光波長のみを透過し、他方の光学フィルター１４ｂは測定対象物質から僅かに離れた波長のみを透過するような特性を有している。予め試料中に測定元素を含まない場合におけるプラズマ発光状況を二つのＣＣＤカメラ１２ａ、１２ｂにより測定して保存しておき、試料測定時での映像強度と比較することにより概略の試料濃度を算定する。この算定結果をもとに試料分光計測における信号積算時間や感度補正などを適正化することができ、測定信頼性を向上することができる。
【００２２】
図８は本発明の第５の実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態においては、プラズマ発光状況をモニターするＣＣＤカメラ１２からの映像信号を画像信号処理装置１５に入力し、発光状況として、発光形状、強度や位置を算出し、予め登録されている適正なレーザー入射状況における発光状況と比較し、そのずれを算出する。得られた偏差情報をもとに照射光学系６に装着された照射光学系駆動機構１６を駆動することにより適性照射状態に修正することができ、測定信頼性を向上することができる。
【００２３】
図９は本発明の第６の実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態においては、プラズマ発光状況をモニターするＣＣＤカメラ１２からの映像信号を画像信号処理装置１５に入力し、発光状況として、発光形状、強度や位置を算出し、予め登録されている適正なレーザー入射状況における発光状況と比較し、そのずれを算出する。得られた偏差情報をもとに試料液膜３を生成するノズル２が装着されたノズル駆動機構１７を駆動することにより、適性な照射状態になるようノズル位置を修正することができ、測定信頼性を向上することができる。
【００２４】
図１０は本発明の第７の実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態においては、概略図１に示す第１の実施の形態において、液膜３上にプラズマを発生するレーザー光５と、プラズマ発光増強用の励起用レーザー光１８と、二つのレーザー光をほぼ同軸に合成するための合成光学系１９と、二つのレーザー光の照射間隔を調整するパルスタイミング機構２０とを備えている。その他の構成は図１に示す第一の実施の形態と同じである。
【００２５】
このような構成において、照射光学系６により試料上に集光されたレーザー光のエネルギー密度が数１００ＭＷ以上に達すると絶縁破壊が生じ、集光点にプラズマが発生する。このプラズマ中では試料に含まれる各元素が電離、励起されるため、各元素固有の波長を持つ光（蛍光）が放射される。プラズマ発光を蛍光集光光学系７により集光し、測定対象元素の蛍光強度を波長弁別素子８により分光計測することにより測定対象元素濃度が求められる。
【００２６】
このとき二つのレーザー光５、１８の軸の調整がずれている場合、生成するプラズマは図１１（ｂ）に示すように液膜上で互に離れた位置に生じてしまい、その発光強度は図１１（ａ）に示すような正しく照射されたプラズマ発光に比較して弱小なものとなる。また、照射光軸を正しく調整した場合でも試料供給状況が変動した場合など液膜位置が変動し、結果的に正しい照射状況からずれたプラズマ生成となる。
【００２７】
このとき二つのレーザー光の光軸調整がずれている場合、生成するプラズマの発光は輝度の高いものであり、かつパルス状の発光であるため、肉眼での観察では比較的大きな光軸ずれ以外では図１１に示すような発光状況の確認は困難である。
【００２８】
本発明においては、ＣＣＤカメラ１２を用いてレーザー照射位置をモニターしている。ＣＣＤカメラ１２による撮像ではカメラに対する入射光をフィルターにより減衰させ、また絞りにより入射光強度を適正化することにより輝度の高い発光でもプラズマ発光状況を正確に映像化することができる。また、パルス毎の映像を積算表示することにより発光状況の揺らぎを平均化して照射状況を正確に確認することが可能となる。このようにして得られたプラズマ発光形状の映像を正しい状態となるように照射光学系６を調整することにより、作業者の技量に係わらずレーザー光の正確な照射位置調整が行え、測定信頼性を向上することができる。
【００２９】
図１２は本発明の第８の実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態においては、図１０に示す第７の実施の形態において、合成光学系１９によりほぼ同軸に合成されたレーザー光５と１８とはビームスプリッター１３により２方向にほぼ等エネルギーで二つのレーザー光５ａ、５ｂに２分割され、照射光学系６により試料液膜３上に所定の角度をもって集光照射される。この場合においても、両方向から照射する二つのレーザー光５ａ、５ｂの軸の調整がずれている場合、生成するプラズマは図２に示すように液膜上で互に離れた場所に生じ正しく照射した場合のプラズマ発光に比較して弱小なものとなる。
【００３０】
しかしながら、実際のプラズマ発光は輝度の高いものであり、かつパルス状の発光であるため、肉眼での観察では比較的大きな光軸ずれ以外では図２に示すような発光状況の確認は困難である。
【００３１】
一方、ＣＣＤカメラを用いた撮像ではカメラに対する入射光をフィルターにより減衰させ、また絞りにより入射光強度を適正化することにより輝度の高い発光でもプラズマ発光状況を正確に映像化することができる。また、パルス毎の映像を積算表示することにより発光状況の揺らぎを平均化して照射状況を正確に確認することが可能となる。このようにして得られたプラズマ発光形状の映像を正しい状態となるように照射光学系６を調整することにより、作業者の技量に係わらず正確なレーザー光の照射位置調整が行え、測定信頼性を向上することができる。
【００３２】
図１３は本発明の第９の実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態においては、プラズマ発光状況を撮影するＣＣＤカメラ１２からの映像信号を画像信号処理装置１５に入力し、発光状況として、発光形状、強度や位置を算出し、予め登録されている適正なレーザー入射状況における発光状況と比較し、そのずれを算出する。得られた偏差情報をもとに二つのレーザーの少なくとも一方の光路中に設置されたコリメータ２１の調整機構２２を駆動して、二つのパルスレーザー光の集光点位置を調整する。
このようにすると、パルスレーザー光の照射位置調整が容易に行え、測定精度を向上することができる。
【００３３】
図１４は本発明の第１０の実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態においては、プラズマ発光状況をモニターするＣＣＤカメラ１２からの映像信号を画像信号処理装置１５に入力し、発光状況として、発光形状、強度や位置を算出し、予め登録されている適正なレーザー入射状況における発光状況と比較し、そのずれを算出する。得られた偏差情報をもとに二つのレーザー光をほぼ同軸に合成するための合成光学系１９の調整機構２３を駆動して、二つのパルスレーザー光の照射方向を調整する。
このようにすると、パルスレーザー光の照射軸方向の調整が容易に行え、測定精度を向上することができる。
【００３４】
なお前記の実施の形態の説明においては、原子炉の冷却系における検出対象元素の濃度測定について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばセメントプラントや火力プラントに適用されるレーザーを用いた成分の計測装置、およびごみ焼却炉やボイラにおけるガスの濃度を等を計測する計測装置などにおいても実施し得るものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、取り扱いが容易で、調整も容易に行え、作業者による測定精度のばらつきをなくし、常に測定精度の信頼性の高い元素濃度測定装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による元素濃度測定装置の概略構成図。
【図２】レーザー照射位置、状況がプラズマ発光に及ぼす影響を模式的に示す説明図。
【図３】レーザー照射位置のずれに伴う測定される信号量の変動の一例を示す特性図。
【図４】本発明の第２の実施の形態による元素濃度測定装置の概略構成図。
【図５】本発明の第３の実施の形態による元素濃度測定装置の概略構成図。
【図６】本発明の第３の実施の形態における光学フィルターの特性を示す波形図。
【図７】本発明の第４の実施の形態による元素濃度測定装置の概略構成図。
【図８】本発明の第５の実施の形態による元素濃度測定装置の概略構成図。
【図９】本発明の第６の実施の形態による元素濃度測定装置の概略構成図。
【図１０】本発明の第７の実施の形態による元素濃度測定装置の概略構成図。
【図１１】本発明の第７の実施の形態におけるレーザー照射位置、状況がプラズマ発光に及ぼす影響を模式的に示す説明図。
【図１２】本発明の第８の実施の形態による元素濃度測定装置の概略構成図。
【図１３】本発明の第９の実施の形態による元素濃度測定装置の概略構成図。
【図１４】本発明の第１０の実施の形態による元素濃度測定装置の概略構成図。
【符号の説明】
１…測定対象試料、２…ノズル、３…液膜、４…レーザー装置、５、５ａ、５ｂ…レーザー光、６…照射光学系、７…蛍光集光光学系、８…波長弁別素子、９…光検出器、１１…解析装置、１２、１２ａ、１２ｂ…ＣＣＤカメラ、１３…ビームスプリッター、１４、１４ａ、１４ｂ…光学フィルター、１５…画像信号処理装置、１６…照射光学系駆動機構、１７…ノズル駆動機構、１８…励起用レーザー光、１９…合成光学系、２０…パルスタイミング機構、２１…コリメータ、２２、２３…調整機構。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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