(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中生物に放射線を直接照射して取水管又は水中構造物に水中生物が付着するのを防止するに当り、該取水管又は水中構造物に接触する水中に存在する水中生物又はその幼生に対し、パルスピークにおけるパワー密度１００ｋＷ／ｃｍ2以上のパルスレーザを、パルス幅２０ナノ秒以下、１０Ｈｚに換算したときの平均パワー密度０．０１〜１Ｗ／ｃｍ2のパルス条件で繰り返し照射し、それらが殺滅するまで継続することを特徴とする水中生物付着防止方法。
【請求項２】
水中生物に放射線を直接照射して取水管又は水中構造物に水中生物が付着するのを防止するに当り、該取水管又は水中構造物に接触する水中に存在する水中生物又はその幼生に対し、パルスピークにおけるパワー密度１００ｋＷ／ｃｍ2以上のパルスレーザを、パルス幅２０ナノ秒以下、１０Ｈｚに換算したときの平均パワー密度０．０１〜１Ｗ／ｃｍ2のパルス条件で繰り返し照射し、それらが少なくとも取水管又は水中構造物に接触する間、休眠状態になるまで継続することを特徴とする水中生物付着防止方法。
【請求項３】
パルスレーザが紫外、可視又は近赤外領域のものである請求項１又は２記載の水中生物付着防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中生物に、直接高パワー密度の放射線のパルスレーザを繰り返し照射して、それを殺滅するか、生存活動を停止して休眠状態にもたらすことにより、水中構造物に付着するのを防止する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大量の淡水又は海水を利用している発電所や工場では、取水管や水中構造物に水中生物が付着して繁殖し、流路障害やその機能低下を起す原因になっている。例えば大量の海水を冷却水として利用する原子力発電所や火力発電所では、海洋生物が配管や水中構造物に付着し、これが次第に成長して、多量に繁殖する結果、取水量の減少、管の閉塞による軸駆動力の増大、熱交換器の効率低下、機器の損傷などの運転障害をひき起している。
したがって、これらの設備においては、取水管や水中構造物に水中生物が付着するのを防止する手段を講じることが必要である。
【０００３】
ところで、水中生物の付着防止方法としては、活性酸素や活性金属イオンや防汚剤などを用いる化学的処理方法、熱、電気、超音波などを用いる物理的処理方法及びスポンジボール、ウォータージェット、除去用具などを用いて着床している水中生物を取り除く機械的処理方法が知られているが、化学的処理方法では使用する化学薬品や生成する化学物質による環境汚染について、それを安全化するための方法をさらに施さなければならないし、また物理的処理方法や機械的処理方法においては、特別の設備を用いるため、その維持に多大の経費を要する上に、エネルギー消費量も多く、経常コストがかさむという欠点がある。
【０００４】
このような欠点を改良するために、水中生物の浮遊生活期幼生に波長変換可能な色素レーザーを照射する方法（特開平５−２２８４５４号公報）、水中浮遊状態の微生物、微細藻類にエキシマレーザーを照射する方法（特開平５−２２８４５７号公報）、水中でレーザーを集束させてブレイクダウンを起させ、プラズマ、ラジカル、ＵＶ光及び衝撃波を発生させ、これにより細菌を死滅させる方法（特開２０００−１５３２６８号公報）などが提案されているが、これらの方法においても例えば連続出力タイプのアルゴンイオンレーザの場合、３００Ｗ／ｃｍ2以上という大きい平均パワー密度で連続的に照射することが必要であり、実用化の妨げとなっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、海水、湖、河川などから取水する配管やその他の水中構造物において、それらの水と接触する固体面に水中生物の幼生が付着するのを、化学薬品や高エネルギーを使用することなく、簡単な手段を用いて防止するための方法及び装置を提供することを目的としてなされたものである。
【０００６】
本発明者らは、海水、湖、河川などから取水される水中に含まれる生物に放射線を照射してそれを撲滅することにより、取水管や水中構造物に水中生物が付着するのを防止する方法について種々研究を重ねた結果、所定のピークパワーを有するパルスレーザを照射することにより、連続出力のレーザ照射の場合に比べ著しく低い平均パワー密度で、水中生物又はその幼生を殺滅又は一定時間活動停止させることができ、水中構造物に水中生物が付着するのを防止しうることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、水中生物に放射線を直接照射して取水管又は水中構造物に水中生物が付着するのを防止するに当り、該取水管又は水中構造物に接触する水中に存在する水中生物又はその幼生に対し、パルスピークにおけるパワー密度１００ｋＷ／ｃｍ2以上のパルスレーザを、パルス幅２０ナノ秒以下、１０Ｈｚに換算したときの平均パワー密度０．０１〜１Ｗ／ｃｍ2のパルス条件で繰り返し照射し、それらが殺滅するまで継続するか、あるいは、それらが少なくとも取水管又は水中構造物に接触する間、休眠状態になるまで継続することを特徴とする水中生物付着防止方法を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明方法においては、取水管や水中構造物に接触する水の中に存在する水中生物を殺滅するか一時的に休眠状態にもたらして、取水管や水中構造物に水中生物が付着するのを防止するのであるが、この水中生物が存在する水は、海水又は淡水のいずれでもよい。
【０００９】
また、生物又はその幼生の例としては、フジツボ、イガイ、タニシなどの海洋性又は淡水性の生物及びその幼生を挙げることができる。これらの生物及び幼生のうち、感光組織を有するもの例えばフジツボの幼生に対しては、殺滅させることなく生存活動が一時的に停止する強度のパルスレーザを繰り返し照射して、少なくとも取水管や水中構造物と接触している間、休眠状態にもたらして付着を防止する方法をとるのが好ましい。
【００１０】
本発明方法において用いられるレーザとしては、例えばエキシマレーザ、ＱスイッチＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、アレキサンドライトレーザ、ＱスイッチＹＬＦレーザ、チタンサファイアレーザなどをベースとした２０ナノ秒以下のパルス幅を有するもの及びこれらの高調波を挙げることができる。このパルスレーザとしては、紫外、可視又は近赤外領域のものを用いるのが好ましい。
そして、これらのパルスレーザは、レンズ、ミラーなどの光学系によりパルスピークにおいて、１００ｋＷ／ｃｍ2以上のパワー密度に調整され、高ピークパワーパルスレーザとして処理対象体に照射される。
【００１１】
次に、添付図面に従って本発明方法を説明する。
図１は本発明方法を実施するのに好適な装置の１例を示す略解図であって、この例においては、照射対象体として水中生物含有水を収容した容器を用いている。この図においてパルスレーザ発振器１から出力されたレーザビーム２は波長変換手段３により１／２の波長に変換され、ミラー４及びミラー５のミラー対で反射され、凹レンズ６及び凹レンズ７のレンズ対により、パルスピークにおいて１００ｋＷ／ｃｍ2以上のパワー密度になるようにし、整形されて、水中生物含有水を収容した容器８に照射される。
このように、本発明方法において用いられる装置は、紫外、可視又は近赤外領域で出力可能な２０ナノ秒以下のパルスレーザ発振器、レーザ波長に対応した波長処理用ミラー対及びビーム整形用のレンズ又はミラー群を直列的に配置されて構成されている。
【００１２】
この際のパルスピークにおけるパワー密度が１００ｋＷ／ｃｍ2未満のレーザを用いると、水中生物の付着防止効果が不十分になるし、またパルス幅が２０ナノ秒よりも大きくなると、照射のためのエネルギー消費量が大きくなり、その低減の目的が達せられない。
【００１３】
次に、図２は、本発明方法により流水管中を通過する水中生物含有水を処理する場合の例を示す説明図であり、この図においてレーザ発振器１から出力されたレーザビーム２は横方向制御凸レンズ９により横方向に収束されたのち、横方向制御凹レンズ１０により、元の平行状態に修正され、次いで縦方向制御凹レンズ１１により縦方向に引き伸ばされたのち、レーザ導入窓１２を通って流水管１３中に薄いディスク状ビームとして照射される。
そして、このようにして制御されたレーザビームを流水中の水中生物、特に感光機能をもつものに照射し、一定時間その生存活動を停止して、流水管を通過する間、休眠状態にもたらすことにより、流水管にこれらの水中生物が付着するのを防止することができる。
【００１４】
本発明方法における平均パワー密度は、繰り返し１０Ｈｚに換算した場合、０．０１〜１Ｗ／ｃｍ2の範囲である。照射するレーザのパルスエネルギーを一定にした場合、パルス幅を小さくすることにより、同じ平均パワー密度であっても、パルスピークパワー密度を高くすることができ、水中生物の幼生の付着防止効果を増大させることができる。換言すれば、短パルス化することにより、小さなレーザエネルギーで幼生の付着防止効果を大きくすることができる。この繰り返し数１０Ｈｚにおけるパルス幅と付着防止に必要な平均パワー密度との関係を図３にグラフとして示す。このグラフにおいてパルス幅１０0は連続発振の場合である。
【００１５】
【実施例】
次に実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
【００１６】
実施例１
瀬戸内海で採取したフジツボ（Ｂａｌａｎｕｓ  ａｍｐｈｉｔｒｉｔｅ）成体を冷蔵庫に入れて１０分間熱的ショックを与えたのち、滅菌濾過海水中に戻すことにより、幼生を放出させた。幼生を直ちに滅菌濾過海水を入れたビーカーに移し、珪藻（Ｃｈａｅｔｏｃｅｒｏｓ  ｇｒａｃｉｌｉｓ、密度：３×１０5／ｍｌ）を与えた。幼生は毎日新しい滅菌濾過海水中に移し換え、それらがキプリス段階（７日目、付着期）に成長するまで珪藻を与え続けた。
次いで、約１５個のキプリス幼生を、２ｍｌ体積ガラス容器中の滅菌濾過海水１ｍｌ中に入れ、レーザ照射前にすべての幼生が健康で活発であることを顕微鏡で確認した。
【００１７】
次に、図１に示す構成の装置を用い、レーザとしてＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍波（波長５３２ｎｍ）、パルス幅５ナノ秒、繰り返し数１０Ｈｚの条件下で、前記の幼生に０．１Ｊ／ｃｍ2・パルスの高ピークパワー・パルスレーザを、２秒、１０秒又は３０秒間照射した。
このようにしてレーザ照射した幼生を滅菌濾過海水２５ｍｌ中に移し、キプリス幼生の死亡率及び付着率を調べた。これらの実験を３回ずつ行い平均値を求めた。この際のパルスピークにおけるパワー密度は１０7Ｗ／ｃｍ2、平均パワー密度は１ｃｍ2当り１Ｗであった。
【００１８】
このようにして得られた幼生の死亡率例を棒グラフとして図４に示す。キプリス幼生に、０．１Ｊ／ｃｍ2・パルスのレーザを、２秒、１０秒、３０秒の間照射した場合、照射直後の死亡率は、それぞれ１７％、２２％、１３％であった。また、照射３日後の死亡率は、それぞれ７６％、７８％、７５％であった。照射していない標準サンプルの死亡率は、それぞれ０％、１９％であった。これよりレーザ照射の有無による差は有意なものであることが分った。
【００１９】
得られた幼生の付着率を棒グラフとして図５に示す。
レーザ照射されたキプリス幼生は、照射後３日間以上付着が見られなかった。照射していない標準サンプルの付着率は、１日及び３日後においてそれぞれ１１％、５１％であった。高ピークパワーを有し、低い平均エネルギーのパルスレーザ照射により、１平方センチあたり１Ｗという低いパワー密度で幼生の付着防止効果が認められた。
すなわち、２０ナノ秒以下の短いパルスを用いることで生物幼生に吸収されたレーザエネルギーが水に奪われることなく、幼生の組織の一部を破壊し、照射後の付着防止が可能となっている。
【００２０】
実施例２
図１に示す装置を用いて、海洋生物幼生の付着機能を抑制した。使用したレーザはフェムト秒レーザ（波長：８００ｎｍ）で、パルス幅１３０フェムト秒（ｆｓ）、繰り返し数１ｋＨｚである。平均パワーは凹レンズにより調整した。
【００２１】
フジツボ幼生の準備方法は実施例１と同じである。パルス幅は１３０フェムト秒（ｆｓ）であり、パルスピークにおけるパワー密度は１０9Ｗ／ｃｍ2となる。平均パワー密度は１ｃｍ2当り１Ｗである。これを実施例１と同条件の繰り返し１０Ｈｚに換算すると平均パワー密度は０．０１Ｗに相当する
【００２２】
このようにして得られた、動きの停止した幼生（不動幼生）の割合例を図６に示す。ノープリウスＩＶ幼生に、０．３０５ｍＪ／ｃｍ2のレーザを、５秒、１５秒、３０秒、６０秒の間照射した場合、照射１５分後の不動幼生の割合は、それぞれ１５％、１７％、４３％、４７％であった。照射していない幼生における、不動幼生の割合は、７％であった。レーザ照射の有無による差は有意なものであり、高ピークパワーを有し、低い平均エネルギーのパルスレーザ照射により、幼生の付着防止効果が認められた。０．３０５ｍＪ／ｃｍ2のレーザエネルギー密度においては、幼生の死亡率は０であった。
【００２３】
このように、１３０フェムト秒（ｆｓ）程度までパルス幅を小さくすることにより、生物の光感受性を有する組織に回復可能なダメージを与え、照射後一定時間の間活動を停止させることができる。この活動停止時間をもとに流路設計を行うことで環境負荷なしに生物の付着を防止できる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、海水や淡水に接触する水中構造物に水中生物が付着するのを、有害な化学薬品を用いたり、大きいエネルギー消費なしに、かつ従来の装置のレイアウトを変更せずに、単に連続レーザ出力をパルス出力に変えるだけで、効率よく防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明方法を実施するのに用いる装置の説明図。
【図２】  本発明を流水管に適用するための装置の略解図
【図３】  付着防止に必要な平均レーザパワー密度とパルス幅の関係を示すグラフ。
【図４】  ＹＡＧレーザ照射によるフジツボ幼生の死亡率を示す棒グラフ。
【図５】  ＹＡＧレーザ照射によるフジツボ幼生の付着率を示す棒グラフ。
【図６】  フェムト秒レーザ照射によるフジツボ不動幼生の割合を示す棒グラフ。
【符号の説明】
１  レーザ発振器
２  レーザビーム
３  波長変換手段
４，５  ミラー
６，７  凹レンズ
８  容器
９  横方向制御凸レンズ
１０  横方向制御凹レンズ
１１  縦方向制御凹レンズ
１２  レーザ導入窓
１３  流水管
【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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