2016, Apr.
No.

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トンネルコンクリートの高速診断技術の開発
フェムト秒パルスによる金属イオンの還元、金属微粒子の生成【光と蔭】大学の使命は主な学会等報告予定【表紙図】高速掃引レーザー計測システム（日本原子力研究開発機構HP(http://www.jaea.go.jp/02/press2015/p16011101/02.html) を参照）

トンネルコンクリートの高速診断技術の開発
北村俊幸
島田義則
レーザー計測研究チーム 倉橋慎理、レーザープロセス研究チーム■はじめにテムの開発を目標に研究を進めている（L a s e r C r o s s

高度経済成長期に建設された、トンネルや橋梁等イ

N o .325 , 2015 A p r .）。本プログラムにおける当研究

ンフラの老朽化が進む中、重大な事故リスクの顕在化、所の課題は診断の高速化であり、中でもレーザーのス維持管理・更新の負担低減のため、高速かつ自動化されキャン速度の向上は、解決すべき大きな技術的課題のた安全性診断システムが必要とされている。現在トンひとつである。これまでの研究では、レーザーの出射

ネル壁面の内部欠陥診断の主流は、検査員が壁面を直方向（ポインティング）の制御に回転式の 2軸ステージ接金槌で叩き、反響する音の変化を聞き分けて判断すを用いていたが、ステージの回転速度等の問題によりる打音法であるが、この方法では検査に足場やクレー検査点一点あたりの計測に 2秒（0.5Hz）の時間が必要でン車が必要で、コストも時間も掛かっていた。これにあった。そこで我々は今回、より高速でポインティン

対し、当研究所がJ R西日本と共同で開発したレーザーグを変えることができるガルバノスキャナーを用いた干渉計測技術（Laser Cross No.315, 2014 Jun. 他）は、新しい制御システムを構築し、検査速度をこれまでの非接触・遠隔での診断ができ、検査全体の高速化・コ50倍（25Hz）に高速化することに成功した。本報告では、スト削減が可能である。

制御システムの概要と、本システムによるコンクリー

本研究と関連し、当研究所は現在、現内閣主導で発足した内閣府戦略的イノベーション創造プログラムト内部欠陥検出実験の結果について述べる。

■レーザースキャン制御システム（S I P）に国立研究開発法人理化学研究所ならびに国立

図1に、使用したガルバノスキャナーの写真を示す。

研究開発法人日本原子力研究開発機構（原子力機構）

スキャナーに取り付けたミラーは 2インチの大型ミと共同参画しており、レーザー技術を用いたインフララーで、素材には軽く剛性もよいSiC（炭化ケイ素）を用維持管理のための高速かつ非接触な診断・補修シスいた。欠陥検出は、インパクト用のレーザーでコンク

次ページへつづくトンネルコンクリートの高速診断技術の開発【図1】ガルバノスキャナー

リート表

ら終了までに必要な時間はおよそ 2秒であった。コン面を叩いたクリート表面の赤い部分が欠陥と認識された部分、緑後、検出用の部分が正常と認識された部分である。欠陥部の場合、のレーザーインパクトレーザーによって加振された時に卓越振動を照射してを持つため、トリガ毎に取得した波形をフーリエ変換信号を取得することにより卓越振動周波数の位置にピークが現わする方法れる。図に示すように、健全部ではピークは検出されにより行ないが、欠陥部ではピークが明確に現われている。こうため、各の結果から、本システムにより、25Hz、つまりこれまで機器のスの 50倍の速度でのコンクリートの診断が可能であるこタートタとが明らかとなった。

イミングと動作タイミングを合わせることが重要であ■まとめる。制御システムのソフトウエア開発にはL a b V I E W

本研究では、ガルバノスキャナーとFPGAを用いた新（ナショナルインスツルメンツ社（N I））を使用した。機規の高速レーザースキャンシステムを開発した。コン器の制御には、マイクロ秒レベルの正確な制御が必

クリート試供体を用いた内部欠陥検出実験の結果、検要な部分に関してはN I C o m p a c t R I OボードのF i e l d査面の各点ごとの計測を 50倍高速化し、25 H zでの高Programmable Gate Array（FPGA）部を用いた。制速診断を達成することができた。今後は、さらなる高御システムの実行フローは、速化にむけてシステムの最適化を行う予定である。

1. レーザー距離計からデータを取得し、各レーザーの謝辞：本研究の実施にあたり、原子力機構関西光科学

焦点を検査対象面に合わせる、2. 検査対象にインパクト用レーザーを当てる点数と掃研究所（現量子科学技術研究開発機構

関西光科学研究所）の多大な協力を得た。また本研究は、内閣府総合科学技術・イノベーション会議「S I P インフラ維持

引間隔を決める、3 . システムの実行ボタンを押し、レーザー、スキャ管理・更新・マネジメント技術」（管理法人: 国立研究

ナー、計測機器にそれぞれスタート用トリガを送り開発法人科学技術振興機構（JST））の支援により行われ検査対象面をスキャンする、た。なお、本年1月には本研究成果のプレス発表を行い、である。

多くの報道機関で紹介されるとともに、NHKや読売テ■コンクリート診断を 50倍に高速化

レビ、テレビ東京等から取材を受け、その内容がテレビ開発した制御システムを用い、あらかじめ内部に欠陥（空洞）を施したコンクリート試供体の内部欠陥検出でも放送された。ご協力頂いた方々に深く感謝致します。

実験を行った。インパクト用レーザーには、原子力機構関西光科学研究所（現量子科学技術研究開発機構関西光科学研究所）が開発した、1J 出力で繰り返し可変の高出力パルスレーザーを使用し、繰り返しは 25Hzに設定した。基準信号には 50 H z、600μsのT T L 信号を使用した。
FPGAに入力したTTL信号は、内部処理によって 125 n sの遅延を受け、各機器にトリガ信号を渡す。各機器の動作タイミングは基準クロックと同期し、検査点でのインパクトレーザーの加振時のデータを正確に取得することができる。
実験結果を図2に示す。200m m ×200m mの検査 【図2】コンクリート試供体を用いた内部欠陥検出実験結果
面を 33m m間隔、49点でスキャンした。開始か （図中◯が計測点）
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TOPICS

フェムト秒パルスによる金属イオンの還元、金属微粒子の生成
大阪市大特任教授、レーザーバイオ化学研究チームチームリーダー（兼任）中島信昭■研究のあらまし

金属イオンを含む水溶液にフェムト秒レーザーを集光照射すると、ナノ微粒子を生成することがある。集光されたフェムト秒レーザー光は一部白色光（Supercontinuum, SC）に変換されるが、金錯体イオン（A u C l4－）を含む場合、金微粒子を生成し、溶液は無色からワインレッドに変わる（図1、金微粒子生成の場合）。この現象はかなり一般的で、3＋金属イオン（Fe3+、E u3+、S m3+、Y b3+）の場合はそれぞれの 2＋のイオンが生成し、金属（Ag、Au、Pd）の 1または 2価イオンではそれぞれの金属微粒子を生成する。これらの反応は溶媒（水）のイオン化とそれに続くイオンの還元反応で説明【図1】金微粒子生成実験【図2】金錯体イオンを含む水溶液で起こる現象

大学の使命は大阪大学では産学連携プロジェクトとしてC O I 拠点開設が提唱され……224ている。C O Iは文科省が大々的に推進しているC e n t e r o f I n n o v a t i o nStreamをそのまま持ち込んだもので、このアイデアは文科省のおすすめの結果である。内容は「一人一人が最高に輝くハピネス社会の実現」を目指すとしている。具体的には「脳マネジメントの潜在能力を発揮できる社会」というプランを提唱していて、4つの取り組みとシステム化で社会実装を実現するという。
このプロジェクトは「人間力活性化によるスーパー日本人の育成拠点」を目標にしている。
「ハピネス社会」、「スーパー日本人」という言葉の選び方がいかにもスーパーマーケットの宣伝に似ていて、大学にふさわしくない。言葉の遊びである。このプランをしぼり出した大学の研究者はそれぞれ高度で専門的な己の研究分野と専門講義を行う役目を持っている。
文科省のこの通達を見た大学人がそれに従わないと予算がとれないと思い込んだ心情は理解できる。しかし大学人は本来の専門的な学術研究に精力を集中すべきであって、スーパーグローバル大学創成支援という大風呂敷に包まれては身もふたもない。
大学の使命は一国の文化レベルの向上とその発展に力をつくすことである。自らの専門分野を通じて自らの貢献を果たすことこそが大切である。
「スーバー日本人」というレッテルはいかにも重厚さがない。用語には今一つ気配りが不可欠と思うのだが。
文科省もかつての地道な研究と教育への努力が失われてきた。これは日本全体の傾向でもある。もっとドッシリとして責任を果たして欲しいものだ。アベノミクスの影響ではあるまいが、この頃政治が薄っぺらになって落ち着きがないのは心もとない。
大学人は大学人として自らの責任と自覚で本来の使命へ向けて頑張ってもらいたい。

【名誉所長】
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できることを明らかにした。

■フェムト秒レーザーの自己収束、水のイオン化、白色光フェムト秒レーザーパルスを集光照射すると更に自己収束が加わり、ついには溶媒の水はイオン化し、解離する。ビームは一時広がるが、再収束し、水から電子が再放出される（図2）。生成した電子のため、白色光のスペクトルは短波長側に非対称に広がることが知られている。

■金微粒子生成と照射エネルギー領域

図3に、金微粒子生成による吸収の時間発展と微粒子のT E M 像を示す。可視部中心に現われる吸収は金微粒子特有の表面プラズモンによるものである。120分後、短波長側のスペクトルは少し歪んで見えるが、初期原料の減少によるもので、これを利用し反応効率を求めた。効率は入射光子数に対し 0.1％であった。 TEM像は 1日後に測定したもので、数ナノメートルの金微粒子の凝集体と思われる。図4には、銀、金微粒子が生成するフェムト秒レーザーパルスのエネルギーを白色光（SC）発生領域とともに示した。SCが見え出す（90 fsパルス、1 -2μJ ) よりも少し弱いサブマイクロジュールの領域から微粒子の生成が見られた。この領域から水のイオン化が始まっていることを示している。微粒子生成はしきい値があるかのように急に始まった。なお、パルスエネルギーが 1１0μJを越すと水のプラズマ破壊が起き、定常的にバブル生成が見られた。

に対し本研究では数マイクロジュールの領域で実験を行い、白色光発生直前の低いエネルギー領域においても金属イオンの還元による微粒子生成が起こることを示した。この反応には溶媒（水）のイオン化、解離により生成する（水和）電子が深く関与しているものと考えられる。実際に、90 f sパルス 3μJの条件で水にレーザーを照射すると約15 %のエネルギーが吸収されることがわかった。このエネルギーが水のイオン化、解離に用いられるのであろう。一方、フェムト秒レーザーを照射した場合に起こる可能性がある溶質（金属、錯体イオン）の多光子吸収については、数マイクロジュールの領域において少なくとも金、銀イオン系では殆ど起こらず、微粒子生成の直接的な要因ではないことがわかった。これ
らの結果は、水のイオン化を利用することで、より低いレーザーエネルギーでも金属イオンの還元・微粒子化を行うことが可能であることを示している。実験結果や反応機構についてのさらに詳細な分析については以下の論文を参照されたい。
N. Nakashima, K. Yamanaka, M. Saeki, H. Ohba, S.
Taniguchi, T. Yatsuhashi, “Metal ion reductions by
f e m t o s e c o n d l a s e r p u l s e s w i t h m i c r o - J o u l e e n e rg yand their efficiencies”, J. Photochem. Photobiol. A:Chemistry 319 (2016) 70–77.

■従来研究との比較、反応機構の議論

従来、フェムト秒レーザーによる微粒子生成は、主として水のプラズマ破壊が起こる領域である数百マイクロジュールのパルスエネルギーで行われてきた。これ【図3】金( A u ) 微粒子の生成。プラズモン吸収が可視部中心に現れ，100 n mサイズの粒子が観測された（90fs, 3 μJ, 1 kHz パルスレーザー照射時）【図4】A u (●)，A g（■）微粒子（N P）生成と白色光（S C）の生成。S C 発生領域では確実にN Pが生成した。■，●は検出限界以下を示す（n o N P s）。S Cの矢印はS Cが安定的に目視できる領域を示す。縦の二重線のところでは時々SCが見えた

主な学会等報告予定
5月17日（火）～ 20日（金）The 5 th Advanced Lasers and Photon Sources Conference（ALPS'16）（パシフィコ横浜）
ハイク コスロービアン 「High-power coherent beam combination (CBC): Beam quality andcoupling efficiency in CBC」
5月17日（火）～ 20日(金) Laser Solution for Space and the Earth (LSSE2016）（パシフィコ横浜）
オレグ コチャエフ 「A Mobile Laser-Based System for Remote Inspection of Shinkansen
Tunnels」
5月18日（水）～ 20日（金）The 5 th Pacific-rim Laser Damage Conference（PLD'16）（パシフィコ横浜）
本越 伸二「Laser-induced damage thresholds by double pulses with interval time」
Laser Cross No.337 2016, Apr.

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