2018 Fiscal Year Research-status Report
金属スクラップ選別へのショート/ロングパルス同軸落射によるレーザープラズマ制御
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17K00620
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
柏倉 俊介 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (10589956)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | DP-LIBS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザー誘起ブレークダウン分光法(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)は大気圧下で非常に高速に動作可能な発光分光分析法であり、測定対象元素や装置構成の制約が非常に少ないために現在では非常に多種多様な分野において応用されている。しかしながら各パルスレーザーによるレーザープラズマ生成の不安定さに起因する定量性及び再現性の低さが克服すべき課題であった。このことは測定試料のアブレーション及びエネルギー状態の励起を1つのレーザーで全て行うことに大きく起因しており、本研究課題においては測定試料のアブレーションとエネルギー励起を別々のレーザーに分担させることで試料の表面性状などの雰囲気条件に拠らない安定したレーザープラズマの生成を目的とした。本年度は鉄鋼、主に低合金鋼に含まれる微量元素(Mn, Si等)を対象に、レーザープラズマからの発光を2次元分光器にて分光し、その発光強度分布をICCDカメラにて撮影をした。波長532nmのNd:YAGパルスレーザーを単発で照射したシングルパルスLIBSと比較して、予備的に波長1064nmのNd:YAGパルスレーザーを照射したダブルパルスLIBSにおいては、低合金試料中のMnの原子線である403.076nm及びイオン線である293.305nmの発光強度分布の全面積積分値が大凡2倍程度にまで増強されることが確認された。このことはレーザーの予備照射によって試料中のMnのアブレーションと励起に必要な電子の加速のための電場が効果的に維持され、2発目のレーザーによって効率よく加速電子衝突による励起/脱励起が行われたものと考えられる。なお再現性については全面積積分値のばらつきがシングルパルスLIBSとダブルパルスLIBSで大きな差異が観測されず、照射間隔などの条件の精緻化が今後必要となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度においては擬同軸レーザー落射光学系の作製が困難を極めたために進行が遅れていたが、本年度においては特注をした薄い高レーザー耐力反射ミラーを水平面から45°に配置することで、1064nmのレーザーは可動式のレーザーヘッドから透過させて落射しつつ、532nmのレーザーについては水平方向から反射させて落射することにより落射位置のずれを補正して同一箇所に落射させることが可能となった。こうして各種鉄鋼試料中の微量元素のアブレーションによる原子/イオン発光の強度分布を波長ごとに測定することが可能となり、Mnの発光については原子線/イオン線共に楕円型の発光分布であったものの、原子線については水平方向に伸びた発光強度分布であったのに対して、イオン線については鉛直方向に伸びた発光強度分布であったことが直接的に確認された。この傾向は他の添加元素(Si, Cr, Ni等）についてもほぼ同様であった。また本研究課題において調達を予定したものではないが長焦点ズームレンズ(VH-Z50L, Keyence)及び一眼レフデジタルカメラ(EOS Kiss X9, Canon)を構成要素として自作したデジタルマイクロスコープシステムによりクレーター形状もより高速に確認可能になり、平成31年度における課題遂行の高速化に資するものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度までにおいては鉄鋼中の添加元素のレーザープラズマ中での発光強度分布に焦点を当ててきたが、申請者が所属する研究室にて保有し使用している2次元分光器(M-25T, Bunkokeiki)では、その焦点距離が250mmと比較的短く、鉄鋼中の添加元素を分光干渉なくとらえるのは比較的困難であることが判明した。そこで本年度は測定対象を比較的発光スペクトルパターンが平易なアルミ合金に変更し、その添加元素として混入している元素のうち測定対象をCu,Si,Mn,Mg,Znに変更し、シングルパルスLIBS及びダブルパルスLIBSによる原子/イオン線の発光強度の空間分布を系統的に測定し、エネルギー順位ごとに整理することで、レーザープラズマ生成及び原子/イオン発光の安定化を図れる条件として各レーザーのパルスエネルギー、照射間隔、及び測定すべき原子/イオン発光の波長の特定を行う。また前述の自作マイクロスコープシステムを用いてレーザーの照射痕の直径や深さを測定し、この照射痕とレーザーのパルスエネルギー、2種類のレーザーの照射タイミング、反射率の異なる金属とパラメーター変化をさせながら測定することで、試料表面の性状がレーザー誘起プラズマからの発光強度に与える影響、及びロングパルス照射がその安定化に与える影響度について整理し明らかにする。
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