JP2004512521A - レーザーパルスをオンライン測定するためのデバイスならびに光音響分光法による測定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザー（１）のパルス（２）の光強度を正確に測定し得るよう構成された圧電センサ（７）に関するものである。これにより、例えば光音響分光法といったような手法において定量測定を可能とすることができ、溶液内の物質の濃度を正確に測定することができる。また、本発明は、レーザー（１）のパルス（２）をオンライン測定するためのデバイスに関するものであり、さらに、本発明は、媒体（３）をレーザーパルスによって照射するという光音響分光測定方法において、各パルスの強度を、そのようなデバイスによって測定するような光音響分光測定方法に関するものである。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の目的は、レーザーパルスをオンライン測定するためのデバイスであって、このデバイスは、特に、本発明の他の目的をなす光音響分光法による測定方法において利用可能である。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
光音響分光法においては、何らかの吸収性溶液を介して、特に、ランタノイドやアクチノイドや核***生成物（ＦＰ）（例えばＮｄ^３＋やＰｒ^３＋といったようなイオンを含む）またはウランを介して、光パルスを送出する。光エネルギーは、溶質の電子の状態変化を引き起こし、非放射性下方遷移の場合には、溶液内における音響波の放出をもたらす。この音響波は、センサによって測定することができる。この分光法の１つの利点は、エネルギー変換特性により、溶質が非常に低濃度であっても検出可能なことである。定性分析に対しては容易に適用することができるけれども、従来技術においては、生成された音響波を測定することによって溶液内における溶質の濃度を正確に決定することができなかった。音響波のエネルギーは、入射光のエネルギーに対して比例するとともに、同時に、溶質の濃度にも比例する。そのため、これら双方の値を知る必要がある。従来より、レーザー光パルスのエネルギーを評価するに際しては、焦電プローブまたは光電プローブが使用されてきた。しかしながら、測定可能な結果を獲得し、この結果に基づいて平均操作を行ってパルスエネルギーを決定するためためには、プローブは、一連のパルスを受けなければならない。しかしながら、パルス強度の変動は、ほとんど検出することができない。
【０００３】
他の発想においては、各パルスの強度を測定するために、光ダイオードを使用する。しかしながら、これら光ダイオードは、波長によって変動するような伝達関数を有している。これに対し、一般に、溶液は、様々な波長で走査される必要がある。最後に、パルス型の光波だけしか、溶液の濃度に比例した音響波を誘起することができないことを強調しておく。よって、各レーザー照射時のレーザーパルスエネルギーの測定は、次式を適用することによって、溶液内において生成された光音響信号の正確な規格化を可能とする。
【数１】

ここで、
−Ａ（λ）は、溶液内における信号の強度であり、
−Ｅ（λ）は、入射光エネルギーであり、
−ε（λ）は、溶液内における吸収性種のモル減衰係数であり、
−Ｃは、溶液内における吸収性種のモル濃度である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
よって、本発明の第１見地は、実効的に送出される各パルス強度を独立に測定できるとともに光の波長に無関係に測定できるような、レーザーパルスエネルギーをオンライン測定するためのデバイスであって、このデバイスは、保護層を設けることなく使用される圧電センサを具備し、この圧電センサの共振周波数は、パルスの持続時間の逆数よりも、５０倍以上小さい。この場合、圧電センサ内において生成される圧力波は、波長に依存することなく、入射光パルスの強度に対して比例する。本発明者らは、他の応用において圧電センサの前方側のところで圧力波による直接的衝撃から圧電センサを保護するために現在使用されている保護層が、レーザーパルスを減衰させたりクリップしたりし、これにより、センサの応答を不正確なものとしてしまうことを観測した。本発明者らは、理論的に検証し、それが、保護層の表面においてパルスが多重に反射されることの結果であることを見出した。保護層内におけるこれら反射は、レーザーパルスエネルギーの未知量を吸収し、波長に依存することとなる。したがって、圧電センサを形成する材料を均一なものとし、これにより、既知の入射エネルギーに相関した定量的応答を測定可能とするとともに、分子分光法においては多くの場合に不可欠であるような周波数走査を有効に実行することが、重要である。さらに、保護層の省略は、測定の同期性を妨害するような遅れエコーをもたらすことなく、単一に減衰された正弦的電気応答信号を得るための手段である。場合によっては、本発明によるセンサは、市販のセンサにおいて頻繁に使用される４分の１波長ブレードによってのみ被覆される。それは、４分の１波長ブレードが、その薄さのために、減衰や測定可能な反射の発生可能性をもたらすことなく、音響的干渉を低減させつつ、結合液体とセンサとの間の音響的インピーダンスを調節するのに有効であるからである。このセンサは、分離ブレードによって主経路から偏向されたビーム部分の経路上に配置することができる。分離されたビーム部分が既知であるとともに延長しても一定でありさらに波長範囲が限定されていることにより、圧電センサによる測定は、試験または測定に対して割り当てられたパルスの、特に、周波数走査を含有することができる上述したような光音響分光測定に対して割り当てられたパルスの、残余部分を知るための手段である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における可能な２つの実施形態を示している図１および図２を参照して、本発明について説明する。図１においては、パルス型レーザー（１）は、解析対象をなす液体試料を収容したタンク（３）に向けて、ビーム（２）を周期的に放出する。タンク（３）の底部には、いくらかの吸収性溶質が存在しているタンク（３）内において光ビーム（２）を変換することによって生成された音響波を測定するための音響センサ（４）が、設置されている。しかしながら、ビーム（２）は、タンク（３）へと到達する前に、分離ブレード（５）を通過する。分離ブレード（５）は、ビームの一部（６）を、圧電センサ（７）へと偏向させる。圧電センサ（７）からの信号は、プリアンプ（８）と測定手段（９）とを使用して測定される。センサ（４）からの信号は、プリアンプ（８）と同様のプリアンプ（８’）によって増幅される。測定手段（９）は、レーザー（１）の各照射に関してレーザー（１）から受領した信号によって、互いに同期した２つの測定を受領する。センサ（４，７）からの測定出力どうしが比較され、測定手段（９）は、試験結果を規格化するために測定結果を使用する。センサ（７）の圧電材料は、裸である。すなわち、上述した理由により、センサ（７）を保護するための層が存在していない。しかしながら、頻繁に使用される４分の１波長ブレードを、測定の精度を低減させることなく、使用することができる。試験により、圧電効果によってセンサ（７）により生成された電流強度が、ビームパルス（２）の一部（６）の強度に比例し、パルス自体に比例することが示された。図２に示すように、ブレード（５）とセンサ（７）との間におけるビーム部分（６）の経路上に、光ファイバ（１０）を配置することができる。
【０００６】
次に、装置の詳細について、さらに説明する。レーザー（１）は、２２０〜１８００ｎｍという波長に関する光パラメトリック共振器を有した可変パルス型レーザーとすることができる。ポンピングレーザーは、ＹＡＧとすることができ、照射周波数は、１０Ｈｚとすることができ、パルス持続時間は、１０ナノ秒とすることができる。例えばシリカ製とされる光ファイバ（１０）の長さは、２ｍとすることができ、直径は、５５０μｍとすることができる。光ファイバは、可視範囲で走査されるすべての波長範囲の光に関して、９９％を透過させることができる。圧電センサ（７）は、円筒形とすることができ、その直径は、１０ｍｍとすることができ、公称周波数は、２５０ｋＨｚに等しい。すなわち、４μｓ周期である。より詳細には、レーザー（１）のパルス持続時間と圧電センサ（７）の振動周期との比は、５０以上でなければならない。このシステムを使用して、例えばウランＩＶランタノイドを含有した溶液に関する光音響スペクトルを記録した。４５０，５２６，６５０，８００ｎｍの波長の光に関して、長いシリーズの試験を行った。そして、測定結果を、校正した焦電プローブに対して相関させた。これらは、圧電センサ（７）の線形応答を示し、また、波長に依存しないことを示した。圧電センサ（７）に対して照射されたパルスの合計エネルギーは、０．１５ｍＪであり、デバイス（９）を使用した測定範囲内において、数百ｍＶから最大でも約１Ｖという強度を生成した。そのため、測定は、最大１ｍＪの程度までのエネルギーにおいては、有効である。
【０００７】
本発明による方法を、核燃料上の放射元素の測定に対して拡張し得ることが想定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における可能な一実施形態を示す図である。
【図２】本発明における可能な他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１　レーザー
２　パルスビーム（パルス）
３　タンク（媒体）
４　音響センサ（他のセンサ）
５　分離ブレード
６　ビーム部分
７　圧電センサ
９　測定手段

Claims (5)

1. レーザー（１）のパルス（２）をオンライン測定するためのデバイスであって、
   保護層を省略して使用される圧電センサ（７）を具備し、
   この圧電センサの共振周波数が、前記パルスの持続時間の逆数よりも、５０倍以上小さいことを特徴とするレーザーパルスのオンライン測定デバイス。
2. 請求項１記載のレーザーパルスのオンライン測定デバイスにおいて、
   前記センサが、分離ブレード（５）によって主経路から偏向されたビーム部分（６）の経路上に配置されていることを特徴とするレーザーパルスのオンライン測定デバイス。
3. 請求項２記載のレーザーパルスのオンライン測定デバイスにおいて、
   前記圧電センサ（７）と、前記偏向ビーム部分と相補的なビーム部分に対して実行される主測定を検知する他のセンサ（４）と、の双方が、単一の測定手段（９）に対して接続されていることを特徴とするレーザーパルスのオンライン測定デバイス。
4. 媒体（３）をレーザーパルスによって照射するという光音響分光測定方法であって、
   各パルスの強度を、請求項３に記載されたデバイスによって測定することを特徴とする光音響分光測定方法。
5. 請求項４記載の光音響分光測定方法において、
   前記照射を、光の周波数を走査しつつ行うことを特徴とする光音響分光測定方法。