2024413

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レーザーを用いたトンネル切羽の浮石検知に関する研究
レーザーによる元素の分離
レーザー学会参加報告

ISSN 0914-9805【表紙図】山岳トンネル切羽における計測の様子

レーザーを用いたトンネル切羽の浮石検知に関する研究

倉橋慎理、染川智弘
鈴木健一郎（現日本大学）、
株式会社大林組 新村亮、谷口信博、奥澤康一、渡辺淳、川北章悟
レーザー計測研究チーム■はじめにの研究グループは、切羽へ近接せず浮石を確認するた切羽とよばれる山岳トンネル工事における掘削の最めの技術の実現を目指し、レーザーによる浮石検知技

先端では地山が露出しており、浮き石と呼ばれる地山術の開発を2018年度より継続して実施している（Laserから剥離した岩石の落下等（肌落ち）による労働災害がCross No.402参照）。本稿では、実際の山岳トンネル工たびたび発生している。作業員が切羽に近づいて実施

事現場の切羽において浮石検知の実証試験の結果につする装薬、支保工建込などの作業で災害発生が多い。肌いて報告する。

落ち防止対策の一つに、ブレーカー等の建設機械を用■実証試験

いて比較的小さな浮石を予め落とす「浮石落とし」（こ実際の山岳トンネル工事現場の切羽において浮石検そく）がある。浮石の確認作業など、作業員がやむを得知の実証試験を実施した。建設機械バックホウの先端ず切羽に近接する場合があり、これによる危険性を低に油圧ブレーカーを装着して地山の岩盤を打撃して弾減するための機械化や遠隔化などの技術が防護対策と性波を発生させ、岩盤を伝播してきた弾性波を、レーして望まれている。また、切羽が長時間大気に開放されザー振動計（Polytec社、PSV Qtec）を用いて検出した。

ると地山の状態に変化が生じ、肌落ちにつながる恐れ

計測の様子を表紙図に示す。切羽から約20 m離れた位があるため、作業は迅速に行われる必要がある。筆者ら

置に振動計測装置を設置した。レーザー振動計システ

公益財団法人レーザー技術総合研究所

レーザー･クロス

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ムにはガルバノミラーが内包されており、計測面の走カー打撃による検査を行い浮石であった箇所の結果査が可能である。ブレーカー先端の「のみ」が岩盤を打を、右側は浮石でなかった箇所の結果を示す。ブレー

撃したときに発生した音を、マイクで検出し計測装置

カー打撃により励起された弾性波がそれぞれの計測箇のトリガ信号とした。また、各計測点を直接ブレーカー所に到達すると、浮石であった箇所には低い周波数でで打撃し、それぞれの計測点の健全性（浮石の有無）を減衰する振動（中心周波数約70 Hzの振動）が、浮石でな確認した。

かった箇所には浮石箇所と比べて高い周波数ですぐに図1に計測された信号波形と、信号処理して得られた減衰する振動（中心周波数約500 Hzの振動）が励起されスカログラム、振幅スペクトルを示す。左側はブレーる様子が見られた。100ミリ秒以降に検出された約600
H zの振動はいずれの計測箇所においても検出されており、これはブレーカーによる打撃音が計測装置まで到達し、装置の固有振動モードで共振したためと考えられる。トンネル内のような閉鎖された環境では反響音があるため、長時間にわたって検出されたと思われる。
各計測箇所において得られた結果と、計測終了後にブレーカーを用いて計測箇所を直接打撃し健全性を検査した結果を比較した。レーザー振動計により計測された振動で、比較的低周波成分のピークを持ち、長時間持続しながら減衰していく振動が検出された箇所では、のちのブレーカーによる検査で、浮きの状態にあると判断される傾向が見られた。

■まとめ
実際の山岳トンネル工事の現場において、現場にある建設機械を用いて岩盤を打撃し、その際生じる振動をレーザー振動計で計測することで、遠隔より浮石の検知を行う手法を提案し、実証試験を実施した。
岩盤の岩質やひび割れなどの不連続面の配置、など様々な要素により周波数応答が異なると考えられるため、統一的な指標を示す手法の開発が引き続き求められる。また、並行して浮石の検知を自動で行うための【図1】（ 左）浮石箇所で計測された結果（右）浮石でなかった箇所で計測された結果（上から時刻歴信号波形、スカログラム、振幅スペクトル）

アルゴリズムの開発、重機オペレーターへの落とすべき浮石の指示方法、など、実用化へ向けた検査システム全体の検討を行っていく必要がある。

TOPICS

レーザーによる元素の分離■アクチノイドと元素分離
原子力発電所の使用済み核燃料を処理した廃液にはアクチノイド（原子番号89～103）と呼ばれる放射性の元素群が含まれている。一部は長期的有害性が高いた2

松田晶平
レーザーバイオ化学研究チーム 中島信昭
レーザー計測研究チーム

め、回収して再利用することが検討されている。そのためには元素ごとに分離する必要がある。

■分離の課題と解決方法
これまでの研究からアメリシウム（A m）とキュリウム（C m）の分離が最も難しいことが知られている。どちらも水溶液中ではI I I価イオンの電子配置が最安定であり、性質や挙動が類似している。そのため、同じ価数のまま分離することは難しい。一方、異なる価数の分離は一般的に易しい。そこで、標的元素の価数を選択的に変化させる方針が見受けられるようになった。例
えば、電気化学的手法により、III価Am（Am III）を選択的に酸化させる報告が注目されている[1 ]。

■レーザーアシスト元素分離のコンセプト
我々は光を用いて選択的に元素を酸化還元する方法を研究した。光が汚染されることはないため、二次廃棄物を究極的に削減できることが利点である。図1にアクチノイドから8元素を抜粋し、I I I価イオンの水溶液における吸収スペクトルを示した。A mとC mを比較すると、503 n mではA mが吸収を持つのに対しC mは透明である。そのため、この光吸収の差を利用することができれば、A mとC mの分離さえも原理的に可能である。このコンセプトを初めて実証したので紹介する[2 ]。
【図2】(上) Am IIIとPr IIIを溶解した硝酸水溶液へのレーザー集光照射（503 nm, 5 ns, 30 mJ, 10 Hz, 15 h）による変化(上)。Pr III（緑）は変化せず、Am III（赤）は減少、+Am V O2（青）が現れた。(下) 照射後に溶媒抽出した水相と有機相の吸収スペクトル■メカニズム観測されたA m I I IからA m V O 2 +への光酸化のメカニズムを明らかにするための実験と量子化学計算を行った。その結果、アメリシウム硝酸錯体（AmIII–NO3−錯体）

アクチノイド（一部）の吸収スペクトル【図1】において共鳴多光子過程による電荷移動が誘起された■アメリシウムのレーザーアシスト元素分離ことがわかった。

Cmの代替元素としてプラセオジム（Pr）を用い、混合■まとめ溶液からA mを分離する試験を行った。図2 (上)にこの溶液中でのレーザーによるアクチノイドの元素分離

溶液の吸収スペクトルを（赤線）で示す。A m とP r

IIIを初めて実証した。現在この方法によるA m / C m分離の吸収が確認できる。この試料へ制御したレーザーパに取り組んでいる。今後は高効率な励起スキームの探ルスを集光照射した。照射後のスペクトル（黒線）も索と大規模化に向けた工学的な改良を進めたい。

図2 (上)に示す。照射前後を比較すると、A m は減少

謝辞

IIIIIIし、V価アメリシウム（Am O2 ）と亜硝酸（HNO2）が生

本研究はJ S P S科研費 J P20 K19999と福島復興研究成された。一方、Pr は変化がなかった。これにより、活動に関する日本原子力研究開発機構（J A E A）の予算A m に選択的な光酸化の誘起に成功したことがわかによる助成を受けました。放射性同位元素を扱う実験る。続いて、照射後試料からI I I価イオンを溶媒抽出しは、J A E Aの管理区域で行いました。関係各位に深くた。その結果が図2 (下)である。レーザーにより「選別」謝意を表します。

したAm O2（青）は水相へ、Pr （緑）と残ったAm （赤）参考文献

は有機相へ分離できたことがわかる。

[1]C. J. Dares et al., Science 350, 652 – 655 (2015).

V+III

III

V+III

III

[2]S. Matsuda et al., Sci. Adv. 8 , eabn1991 (2022).
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NEWS

レーザー学会参加報告
レーザーエネルギー研究チーム■レーザー学会50周年記念講演会

2024年1月16日（火）レーザー学会50周年記念特別講演会が開催された。主催者代表として久間和生会長から、1973年のレーザー懇談会に始まるレーザー学会の歴史の紹介と新たな分野としてレーザーの農業・食品分野への応用などの紹介があった。

■読み上げ機能がイノベーションの契機に続いて今回の大会の会場にもなっている日本科学未来館・館長の浅川智恵子氏より「科学技術とともに実現するインクルシーブな未来社会にむけて」と題する講演があった。浅川氏は14歳で失明されたとのことで、障がい者目線での技術開発を日本I B Mで行われている。その中に視覚障がい者向けのWEB情報の読み上げ機能や誘導を目的とした「ライダー組み込み型A I スーツケースの開発」がある。このような技術は障がい者用として開発したものだが、例えば読み上げ機能はレシピを聞きながら料理するといった波及効果を及ぼしており、イノベーションの契機となっている[1 ]。

■重力波望遠鏡による深宇宙の観測

大道博行

野等での送受信、センシング等での利用が大きく発展している。今後一層のハイパワー化が進むことを期待したい。

■深紫外線レーザーの発振を目指す

名古屋大学の天野浩氏より「窒化物系レーザーダイオードの研究開発と社会実装への道のり」と題する講演があった。1981年に名大・赤崎研で研究を開始され、研究費のない中、いろいろなものを手作りし、民間から部品の提供を受けたりしての研究立ち上げだった。一方で、こんなものではまともなデータなど得られない、やめておけとさんざん言われたとの話もあった。転機になったのはパイオニアとの共同研究によりブルーレイ用Z n C d S eレーザーが開発されたことである。この技術は車のヘッドランプや銅の加工をターゲットにしたブルーレーザーなどに波及していった。現在は波長220 n mの深紫外線レーザーの発振を目指しているとのことだった。格子欠陥の克服を中心に、いろいろ苦労されたことをユーモアを交えて披露され、話に引き込まれていく講演であった。

東京大学・梶田隆章氏より「深宇宙を探るレーザー～■1万年が3分20秒に、現状はまだ1合目レーザー干渉計型重力波望遠鏡で探る宇宙～」と題す
最後に東大院工物理工学専攻の武田俊太郎氏よりる講演があった。アンシュタインが提唱した重力波の 「光量子コンピューターが拓く未来」と題する講演があった。最近、スーパーコンピューターで1万年かかる観測により、X線、光、電波の望遠鏡で見える宇宙のさらに先である深宇宙を観測しようとするものであり、 計算が量子コンピューターでは3分20秒で計算できる巨大かつ超高精度なレーザー干渉計開発に関する講演というセンセーショナルな発表があり、話題になってであった。この重力波望遠鏡は米国、欧州、日本、インいる。講演ではこのような話題先行の話を原理的なこド、オーストラリアで稼働、建設中、計画認可の段階にとを含めて柔らかく解説しつつ、現状では有用な計算ある。これらプロジェクトは相互に競い合うというよがこのようなスピードでできるものではないとの説明
り、地球から見てあらゆる方向にまんべんなく感度をがあった。講演では室温、大気中動作、高クロック動作、有するために必要であり、相協力し合う関係だとの説光量子通信との接続性で特長のある光方式の紹介と、明があった。ただ今回の地震により干渉計に不具合が光回路での実証試験の様子の紹介があった。まとめと生じ、その復旧に時間がかかるとの話もあった。困難して目指す山頂に対し、現状は一合目であり、息の長いを乗り越えて、重力波観測に参加してもらいたい。
研究であること、そのため山頂に至る途上で実用的なアプリケーションを設定することの重要性が説かれ■面発光レーザー、応用拡大への期待
東京工業大学の伊賀健一氏より「世界を繋ぐ・観る： た。なお武田氏のホームページで様々な動画等を見ることができる。
面発光レーザーが変える」と題する講演があった。1962
年に東工大・末松研でレーザー研究を開始され、1977■ひたむきな研究が伝わる講演会
年にレーザー発振器の向きを横から縦にする面発光
各講演者それぞれに、ひた向きに研究に取り組まれ[2 ]レーザーの着想を得られた 。発表当初の10年間はあてこられたことが伝わってくる、素晴らしい講演会
まり話題にならなかったとのことだったが、1989年頃だった。
から海外で面発光レーザーのプロジェクトが始まり、 参考文献大きく注目されることになった。L S Iと同様の方法で[1] 浅川智恵子(2023).『見えないから、気づく』.ハヤカワ
レーザーを作ることができ、低消費電力、2次元のア
新書,.
[2] Soda, Iga et al. ; Jpn. J. Appl. Phys., 18, 1979 (2329)
レー化、波長可変などの特長により、情報分野、医療分
Laser Cross No.413 2024, Feb.

http://www.ilt.or.jp

発行／公益財団法人レーザー技術総合研究所 編集者代表／倉橋慎理 〒550 - 0004 大阪市西区靱本町1-8-4 大阪科学技術センタービル4F TEL(06)6443-6311 FAX(06)6443-6313

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