(57)【要約】【課題】プラスチックまたは金属表面の清掃または汚染除去を、処理後の面を再汚染することなく簡単、確実且つ安全に行うための方法および装置を提供すること。【解決手段】レーザ２１が出す紫外線レーザビーム２２を機械・光学的手段３０、３１、３２、４１、５１および７０によって処理すべき物体２０の表面に向けて走査し、レーザビーム２２の衝撃でこの物体２０に剥離を起して、この物体を構成する材料自体の表面除去を行う。ステンレス鋼に対しては、この作業を還元ガス、特に不活性弗化ガス雰囲気で行うと有利である。【選択図】図４
2007181830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線レーザビームの衝撃を使うことによって容器（２０）の内面を清掃または汚染除去するための装置に於いて、物体を構成する材料に依存して、該物体に剥離を起し、該剥離が該物体それ自体を構成する材料の表面除去を含むように選んだ条件で前記紫外線レーザビーム（２２）を出すレーザ（２１）、前記レーザビームを前記内面へ伝達しおよび該レーザビーム（２２）を前記容器（２０）の内面の領域に導くための鏡（３０、３１、３２）を含む手段、並びに前記内面の剥離から生ずる材料を除去するための手段を含み、前記鏡（３０、３１、３２）が、制御装置の作用の下で、清掃または汚染除去すべき全表面を走査するように配置されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１による装置に於いて、前記レーザビームを前記内面へ伝達する手段が二つの鏡（３１、３２）および二つの同軸管（４１、５１）から成り、前記各同軸管（４１、５１）が、前記容器を貫通し、それらの軸上で回転でき、前記鏡（３１、３２）のうちの一つを動かすことを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２による装置に於いて、前記レーザビーム（２２）の衝撃を受ける前記容器の内面に不活性ガスを噴射するための手段も含むことを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までの何れか１項による装置に於いて、前記レーザビーム（２２）の衝撃を受ける前記容器の内面に還元添加剤を噴射するための手段も含むことを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までの何れか１項による装置に於いて、清掃または汚染除去した面の画像を観察カメラ（７５）へ伝達するための手段も含むことを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５までの何れか１項による装置に於いて、前記レーザビーム（２２）が前記内面（２０）に与える衝撃がプラズマを生成するとき、該プラズマからの光を分光光度分析装置へ伝達するための手段を備えることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６までの何れか１項による装置に於いて、前記レーザビーム（２２）が前記内面（２０）に与える衝撃がプラズマを生成するとき、該プラズマの生成を報知するために音響センサを備えることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線レーザビームを使って物体の表面を清掃または汚染除去するための方法に関する。それは、上記方法を実施するための装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の表面を清掃または汚染除去するためにレーザビームを使うことは、多くの刊行物に記載されている。これらの刊行物から以下の文書を引用することができる。
【０００３】
ＷＯ  ９０／０７９８８は、表面を清掃するためにレーザビームを使用することを開示し、清掃作業中このレーザビームを手動で案内する。レーザビームの出力は、ミクロンオーダの波長で数１０ｍＷ／ｃｍ2のオーダである。この文書が開示する技術は、反復性、精度の欠如、煩雑性およびある材料についての非効率性に関する欠点がある。
【０００４】
ＦＲ−Ａ−２５２５３８０は、ＹＡＧレーザが１．０６μｍの波長で出す光ビームを使う汚染除去法を記載している。この方法は、放射性元素によって汚染されている金属物体の表面から酸化物の薄膜を除去するために開発された。しかし、この方法は、酸化物層の素地、即ちこの物体の純粋な金属部を処理するために使うことができない。その上、レーザビームの効果が本質的に熱的であり、このためプラスチック物体の汚染除去に不適当である。実際、このレーザビームは、プラスチック物体の表面溶融を生じ、それが汚染物質を最終的にプラスチック材料の中に塗込める効果を有する。これは、要求されるのと反対の効果である。
【０００５】
ＦＲ−Ａ−２７００８８２で、放射性元素によって汚染された表面の汚染除去は、処理すべき表面上に液体を維持することが条件である。この液体を使うことは、多くの欠点、例えば、この方法の終了後の液体の除去、を有する。
【０００６】
ＦＲ−Ａ−２７０７８７７は、紫外線レーザビームと酸素のような反応性ガスを使うことを提案している。実験によると、汚染除去作業中に酸素が存在すると処理した金属上に直ちに酸化物層を再形成することに繋がることを示した。これらの層が汚染物質を再び閉込め、それは所望する結果に反する。この文書は、処理した表面から取出してから放出した粒子の捕獲領域についても触れている。この捕獲領域は、処理した表面から２〜１０ｍｍの間にある。この短い距離がこの方法を実施するための欠点である。
【０００７】
ＷＯ  ９５／１３６１８は、処理すべき金属物体の表面を局部的に溶融するためにレーザビームを使い、この溶融した金属を除去することによって汚染除去を行う方法を記載している。この方法の欠点は、汚染除去すべき表面に接触して作業する必要があることである。更に、金属を溶融することは、表面状態を損傷し、スラグを作り、付近の汚染物質を再び閉込めるので、大きな欠点である。
【０００８】
この様に、従来技術を使う上述の方法は、かなりの数の欠点を有する。
【０００９】
それらは、通常スペクトルの赤外または可視部分の波長のレーザビームを使用する。従って、それらは金属材料の表面溶融を生じ、それが重大な欠点をもたらす。
【００１０】
そのような技術を手動で実施するときは、処理すべき表面の走査が不完全である。これは、小さい未処理の領域を残すことになるか、または繰返し処置段階を実施することが必要になる。放射能除染に関係する場合、もう一つの重大な欠点は、スタッフが電離放射線を浴びる危険があることである。
【００１１】
説明した手順の一つは、補強特性を有する筈の液体の散布と組合わせてレーザビームを使うことに関係する。水性ではあるが、問題の液体は、塗布、除去および取扱いが困難である。その上、本発明の発明者が行った実験によると、各残留液滴の下に微小亀裂ができることを示した。これらの微小亀裂は、表面を多孔質にし、非常に再汚染されやすい。
【００１２】
レーザビームの衝撃によって発生するプラズマ熱またはレーザの衝撃によって生ずる表面剥離は、酸素のような反応性ガスの使用と組合さって、直ちに非常に顕著な表面の再酸化を起す。そのような再酸化は、再汚染を生じかねない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、従来技術の全ての欠点を克服することを意図している。本発明者は、かなりの数の調査を行い、それが思いがけずプラスチックまたは金属表面の遠隔汚染除去または清掃を行うための方法をもたらした。この方法は、容易に自動化でき、事情に依っては、処理すべき表面の最終状態に有利な、例えば、再酸化することなくこの表面を研磨するための、ガスを付加をしてもよい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
従って本発明は、紫外線レーザビームの衝撃を使う、金属物体の表面を清掃または汚染除去するための方法に於いて、この金属物体を構成する材料に依存して、紫外線レーザービームが金属物体に剥離を起し、この剥離がこの物体それ自体を構成する材料の表面除去を含むように選んだ条件で紫外線レーザビームを使うことを特徴とする方法に関する。
【００１５】
もし、上記金属物体の表面に酸化物の層ができたら、上記作業条件は、この酸化物を蒸発し、およびプラズマを生じ、それがこの物体それ自体を構成する材料の表面除去をするようになっている。
【００１６】
事情に依っては、これらの作業条件が、このレーザビームが上記金属物体へ与える衝撃がこの金属物体を構成する材料に対して不活性である不活性ガスの雰囲気、例えばアルゴン雰囲気の中で起るということを含むのが有利かも知れない。
【００１７】
このレーザビームが還元状態で上記物体へ衝撃を与えることも有利かも知れない。これらの還元状態は、この不活性ガス雰囲気に対して少なくとも一つの適当な添加剤が存在することによって得てもよい。
【００１８】
本発明は、紫外線レーザビームの衝撃を使うことによって容器の内面を清掃または汚染除去するための装置に於いて、物体を構成する材料に依存して、この物体に剥離を起し、この剥離がこの物体それ自体を構成する材料の表面除去を含むように選んだ条件で上記紫外線レーザビームを出すレーザ、このレーザビームを上記内面へ伝達しおよびこのレーザビームをこの容器の内面の領域に導くための鏡を含む手段、並びに上記内面の剥離から生ずる材料を除去するための手段を含み、これらの鏡が、制御装置の作用の下で、清掃または汚染除去すべき全表面を走査するように配置されていることを特徴とする装置にも関する。
【００１９】
本発明の他の特徴および利点は、以下の説明から更によく理解できるだろう。この説明は、非限定的で、添付の図面を参照する。
【実施例】
【００２０】
この発明は、紫外線、即ち、１０ｎｍ〜４００ｎｍの間の波長のレーザビームを使用する。
【００２１】
図１に示す実験用装置は、２８ｎｓのパルスで３０８ｎｍの波長の光のビームを出すＸｅＣｌレーザ１を使用する。この型のレーザは、現在入手できる最も強力なものの一つ、即ち、２５０Ｈｚラムダフィジーク（Ｌａｍｂｄａ  Ｐｈｙｓｉｋ）４００ｍＪである。
【００２２】
図１の装置は、直接像伝達技術を使ってレーザビームを導く。レーザビーム２を最初に鏡３で反射してから第１集束レンズ４に通し；次に鏡５および６によって順次反射してから第２集束レンズ７（焦点距離０．５ｍ）を通して、保護容器９の内部に配置した目標物８に到達させる。ビデオカメラ１０を使ってレーザビーム２が目標物８に与える衝撃を監視する。
【００２３】
この装置を使って、目標物で測定したレーザビームの出力は、パルス当り３００ｍＪである。鏡５と６は、回転してレーザビーム２をこの目標物の全表面に向けることができる。
【００２４】
次に、本の発明の方法を使った、三つの異なる材料の処理を説明する。これらの例を使えば、本発明を他の材料に適用しようと思う当業者は、特別な発明性を示す必要なしに利用できる技術を使うテストをするだけでよいだろう。これらのテストが、任意の与えられた材料に対して、目標物の表面で必要なレーザビームの出力定格および本発明を実施するために必要な最適条件についての情報を与えるだろう。
【００２５】
例Ｉ
最初の例は、プラスチック被膜、この例ではエポキシ塗料、の処理に関する。
【００２６】
単一紫外光子の力が電子準位を有機結合の解離限界に近いかそれより大きく励起するに十分である。このプロセスは、光化学的で、熱的効果が弱い。
【００２７】
０．５Ｊ／ｃｍ2で被膜は剥がれず；従ってこの値が剥離限界である。０．７Ｊ／ｃｍ2で剥離が効きだし、１．８Ｊ／ｃｍ2で最大効率に至る。２５０Ｈｚの反復発射率で、３０μｍの深さに対し、０．５ｍ2／ｈの剥離速度を達成することができる。レーザビームの入射角の４５°までの変動は、剥離効率にほとんど影響を与えないことにも注意すべきである。
【００２８】
プラスチック材料に対して、レーザビームの最大出力定格は、それ以上ではプラスチックが溶けまたは燃え始めるものである。
【００２９】
例ＩＩ
第２の例では、目標物は、表面が自然に酸化した銅の塊である。
【００３０】
この酸化物層は、紫外線を非常によく吸収するので、十分に強力なレーザビーム（２Ｊ／ｃｍ2）がこの銅酸化物層を気化し、プラズマを形成する。プラズマ光発光の分析を使ってそれが作られた材料を構成する元素を決めることができる。
【００３１】
図２のグラフの曲線１１は、レーザの最初の２発の発光スペクトルを示す。この曲線の５１０．５５ｎｍ、５１５．３２ｎｍおよび５２１．８２ｎｍの三つのピークは、実際に、正に剥離した領域からの銅原子の放出に対応する。
【００３２】
３発目のレーザに始って、発光スペクトル（図２のグラフの曲線１２）は、最早プラズマが作られないのでもう銅が放出されず、金属の吸収係数が低いことを示す。プラズマを再発するためには、かなり高いレーザ光束を要する。
【００３３】
従って、酸化銅の塊を剥がして素地だけにするには、たった２発のパルスしか要らないので、本発明によるプロセスは非常に効率がよく、且つ高度に選択的である。
【００３４】
プラズマ形成中は音響信号を出すことに気付いた。従って、レーザビームと酸化した表面が相互作用している間、最初の２発に対して音響信号を記録してもよい。３発目のレーザは、非常に低い音響信号を出す。
【００３５】
例ＩＩＩ
第３の例は、目標物は重量で７２％の鉄、１８％のクロームおよび１０％のニッケルからなるＦｅ／Ｃｒ／Ｎｉステンレス鋼の塊である。エージングによって、この鋼上に厚さ数１０ミクロンの酸化物層ができている。この種の目標物を汚染除去するためには、最初にエージング中にできた酸化物層を破壊することが不可欠であることが分っている。
【００３６】
２Ｊ／ｃｍ2の光束が長さ約８ｍｍの非常に明るいプラズマを出しながら、この酸化物層を容易に気化する。このプラズマの突然の膨張が同時にバーンという音を出す。
【００３７】
この酸化物層を完全に除去するためには、数発で十分であり、この観点からこのプロセスが非常に効率のよいことを示す。その後に、剥離して光沢のある金属素地上に３Ｊ／ｃｍ2で照射してもプラズマまたはバーンという音を発生することにはならない。しかし、原子力施設の解体の一部としての汚染除去は、金属素地それ自体から材料除去せずには達成できない、高い除染係数を課す。同時に、金属表面を溶かし、処理した表面を再酸化させないように注意しないと、両プロセスが汚染要因物を閉込めることになる。この議論は、ステンレス鋼に必要なよい作業条件を正確に定義することに繋がる。
【００３８】
もし、実際に、鋼の塊の表面のレーザ照射を空気雰囲気中で続け、一旦酸化物層を除去してしまうと、短期間の照射で処理した表面が黒化すること、および長期間の照射が黒化を増すだけでなく、金属とその酸化物の間の熱応力が異なるために、外観を煉瓦酸化物構造にすることも分るだろう。この新しい酸化物層は、レーザ光子を吸収し、続く剥離を遮蔽する効果があるので、望ましくなく；汚染粒子を閉込め、除染係数を下げ、それによって表面状態を劣化する傾向もある。
【００３９】
これらの現象を克服するために一連の実験をした。これらの実験は、この鋼の多数のサンプルを使い、表面の分析をＸＰＳ光電子分光法およびイオンボンバードを使って実施した。この分析法は、サンプルを数ｎｍ／ｍｉｎ（この実験では２ｎｍ／ｍｉｎ）の速度で擦り、処理したサンプルの深い物理化学的構造を識別できるようにする。
【００４０】
未処理のサンプル（即ち、その最初の酸化物層を保持するもの）に始り、種々の条件で処理したサンプルに続いて、幾つかのサンプルをこれらの技術を使って調べた。
【００４１】
未処理のサンプルは、次のように構成されている：０．１３μｍの深さまでは、鉄とクロームが主として酸化物として存在し、一方ニッケルはその金属状態にある。このサンプルの組成は、０．１３μｍの深さを超えると一定のままで、鉄酸化物が存在する。０．４８μｍの深さで測定したＦｅ、ＣｒおよびＮｉ相対濃度は、重量でそれぞれ７０．９％、２１．９％および７．２％である。使用した技術の測定精度を考慮すれば、これらの値は、このサンプルの認証組成、即ち重量で７２％、１８％および１０％とよく一致する。
【００４２】
上に説明した様に空気中で処理したサンプルは、次のように構成されている：１．１μｍの深さまで、少量の金属ニッケルを別にして、このサンプルは、殆ど全て酸素と金属酸化物からなる。１．３μｍの深さで、金属鉄に対する鉄酸化物の比は、まだ約５０％である。従って、酸化物と酸素の改質が存在する。
【００４３】
アルゴンの中で処理したサンプルの組成は、０．４μｍの深さまで大体正しい、即ち、重量で鉄７０％、クローム２０％およびニッケル１１％である。このサンプルの表面とこの深さの間は、酸素が空気中での照射に対するより薄いが存在し続ける。
【００４４】
アルコールが存在する下でアルゴン中で処理したサンプルは、数分の分析後に正しい基本組成が得られ、酸素濃度が非常に低いので、非常にきれいな表面を示す。
【００４５】
従って、本発明による剥離を不活性ガスの中で実施することが非常に有利であり、そのガスの中でもアルゴンが最も便利である。窒素は、窒化を起すことがあるので、避けるべきである。現在の汚染除去の条件下では酸素を完全に排除することが困難であるので、添加剤を使用することによって達成される還元状態で作業するのが好ましい。例えば、純アルゴンのジェットを極少量の水素（容積で４％未満）またはエタノール、低分子量の糖若しくはポリアルコールのような炭化水素化合物を含むアルゴンで置換えることができる。これらの状況で、表面が再炭化する危険は、例えば、次のように、現場で発生する一酸化炭素の存在によって減少する：
ＣＨ3−ＣＨ2−ＯＨ→ＣＯ＋ＣＨ4＋Ｈ2
【００４６】
そのような添加剤を使用することで、レーザビームによる照射後にきれいな研磨面を作ることができる。小さく、非常に有効なフィルタに閉込めた希薄なエーロゾルは、色が薄茶から非常に深い黒まで変る。
【００４７】
作業者に危険を与えない弗化物添加剤、例えば六弗化硫黄またはフレオンを使うことによっても、興味ある結果が得られている。酸素を弗素のようなより強力な酸化体で置換えることにより、揮発性金属化合物もプラズマ内にできるかも知れない。ＳＦ6が存在すると、剥離が動力学的により迅速であることが分った。
【００４８】
これらの有利な条件は、おびただしい数の潜在的汚染物質、例えばアクチニドに適用できるべきである。
【００４９】
汚染除去装置
図３は、汚染除去装置を示す。参照番号２０は、汚染除去すべき密封式容器で；この容器は、任意の形式のボイラー、管状板付き蒸気発生ユニット、等でもよい。
【００５０】
この装置は、２５０Ｈｚラムダフィジーク・エクシプレックス（Ｌａｍｂｄａ  Ｐｈｙｓｉｋ  Ｅｘｃｉｐｌｅｘ）（ＸｅＣｌ）４００ｍＪレーザ２１を含む。レーザ２１は、光ビーム２２を汚染除去すべき容器の内面に向けるために使用する垂直レーザビーム案内アーム２３にこのビームを送る。この装置は、更に、このレーザビームの運動を制御するためのユニット２４およびガス制御ワゴン２５を含む。
【００５１】
図４は、案内アーム２３の詳細を示す。このアームは、非常に汚染された領域で作動すべきで、信頼性が高く、即ち、単純且つ頑丈でなければならない。これは、この容器の全内面（４πｓｒ）を走査するために二つの回転軸しか使わないことを決めたからである。
【００５２】
レーザビーム２２は、水平にこの装置の上端に達し、そこで半透明鏡３０がそれを案内アーム２３の内部を垂直に方向付け鏡３１および３２へ送る。鏡３１および３２は、それぞれ二つの同軸管４１および５１によって回転されてもよい。
【００５３】
内管４１は、垂直部を含み、その上端は容器２０の外側にある。この端のリムは、歯車４２であり、それがモータ４４によって駆動される歯車４３と協働して歯車系を作る。この管の垂直部の下端は、容器２０内にあり、垂直方向から４５°に傾斜した鏡３１を担持する。この管の下端は、小さい部分４５によって水平に伸びている。この小さい部分４５は、小さい９０°のエルボ管５５を担持し、それは部分４５に関して自由に回転する。小さい管５５は、鏡３２を担持し、それは垂直方向から４５°に傾斜し、鏡３１に向いて配置されている。
【００５４】
外管５１の上端のリムは、歯車５２であり、それがモータ５４によって駆動される歯車５３と係合して、歯車系を作る。管５１の下端も歯車５６である縁を有し、それが管５５と一体である歯車５７と整合的に作用する。
【００５５】
それで、モータ４４および５４は、容器２０の外側に配置されている。案内アーム２３は、予め装置６０によって突刺された、容器２０のドームに支えられている。装置６０は、Ｏリング６１が取付けられていて、それがこの容器２０のドームの密封シールとなる。グランド６２も設けられていて、外管５１を自由に回転できるようにする。管４１と５１の間に配置されたグランド５８は、上記管が互いに自由に回転することを保証する。
【００５６】
レーザ２１が発するレーザビーム２２は、案内アーム２３の内部の半透明鏡３０によって鏡３１の方向に反射され、それを鏡３１が鏡３２の方へ反射し、そこでこのビームが再び反射されて集束レンズ７０の方へ向う。
【００５７】
プラズマ放射は騒音を発するので、酸化物層の除去を監視するために、容器のドーム上にマイクロフォンを配置するのが有利である。
【００５８】
鏡３０が半透明であるので、ビデオカメラ７５を案内アーム２３の上に置いて、レーザビームが容器の壁に与える衝撃を同じ光路に沿って観察する。処理面近くで放射されるプラズマからの光も同じ光路に沿って送り、分光光度分析する。従って、この表面からどのイオンを除去し、プラズマ中に存在するかを決めることができる。
【００５９】
制御ユニット２４（図３参照）は、ステッピングモータの制御モジュール、種々の電源ユニットおよびコネクタを含む。これらの制御モジュールとこのプロセスの実施を管理するマイクロコンピュータの間の信号交換は、ＲＳ２３２Ｃシリアルリンクを介して行ってもよい。これらのモジュール間の対話は、電磁的外乱を受け難い、予め取り決めたディジタル通信プロトコールを使って行う。処理すべき面のレーザビームによる走査を、この装置の制御コンピュータに予めプログラムされた３次元画像と結合してもよい。
【００６０】
ガス制御ワゴン２５は、噴射すべきガス、例えばアルゴン、の瓶、および上に説明したような添加剤を含む。このガスをノズルによってレーザ被曝領域に導く。それは二つの流量調節ポンプも含み、その一つは、電磁フィルタおよび高性能フィルタを通す微粉濾過後に雰囲気ガスを再循環させる。再循環したガスは、レンズ７０を吹払うためにも使う。第２のポンプは、放射能除染の分野で知られた技術を使って容器２０を負圧に保つ。
【００６１】
この装置は、本発明による方法を自動的に、従って運転員に迷惑を掛けることなく実施するために使うことができる。それは、監視および雰囲気ガスの濾過も行う。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明のために使用する実験装置の概要図である。
【図２】レーザビームによって酸化した銅表面上に作られたプラズマの発光スペクトルを示す。
【図３】容器の汚染除去をするために本発明の原理を使用する装置を示す。
【図４】図３に示す装置の詳細図である。
【符号の説明】
【００６３】
２  紫外線レーザビーム
８  金属物体
２０  金属物体
２１  レーザ
２２  紫外線レーザビーム
３０  鏡
３１  鏡
３２  鏡
４１  同軸管
５１  同軸管
７５  観察カメラ
【図１】
2007181830.tif 000003
【図２】
2007181830.tif 000004
【図３】
2007181830.tif 000005
【図４】
2007181830.tif 000006