(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽電子を被測定材料に入射させ、その陽電子の寿命を測定することにより、被測定材料の劣化度合を評価する材料欠陥診断装置であって、陽電子線源、陽電子検出器およびγ線検出器を備え、陽電子線源と陽電子検出器を、光を通さない容器の中に設けるとともに、陽電子線源から照射されて、陽電子検出器を透過した陽電子を、外部に取り出す陽電子取り出し窓を容器に設け、さらに、陽電子線源の陽電子検出器とは反対側であって容器内に、陽電子寿命が既知であり、しかも、測定しようとしている被測定材料のものとかさならない陽電子寿命となる材料から成る陽電子遮蔽材を設けたことを特徴とする陽電子を用いた材料欠陥診断装置。
【請求項２】
γ線検出器が、陽電子線源をはさんで、陽電子検出器とは反対側の容器外に設けられている請求項１記載の陽電子を用いた材料欠陥診断装置。
【請求項３】
陽電子検出器で陽電子が検出されてから、１０ナノ秒以内にγ線が放出された場合にのみ信号として計測するよう構成した請求項１または２記載の陽電子を用いた材料欠陥診断装置。
【請求項４】
陽電子取り出し窓に金属箔を用いる請求項１〜３のいずれか１項に記載の陽電子を用いた材料欠陥診断装置。
【請求項５】
陽電子検出器がアバランシェフォトダイオードである請求項１〜４のいずれか１項に記載の陽電子を用いた材料欠陥診断装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の陽電子を用いた材料欠陥診断装置を用いて、陽電子線源から照射された陽電子の通過を陽電子検出器で検出し、陽電子取り出し窓から取り出された陽電子を被測定材料に照射し、被測定材料中で消滅した陽電子によるγ線の発生をγ線検出器で検出し、陽電子検出器で陽電子の通過を検出した時からγ線検出器でγ線の発生を検出した時までの時間で定義される陽電子寿命から被測定材料の材料欠陥を診断することを特徴とする診断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陽電子を被測定材料に入射させ、その陽電子の寿命を測定することにより、被測定材料の劣化度合を評価する材料欠陥診断装置および診断方法であって、特に、ポータブルに構成でき非破壊診断をその場で行うことのできる材料欠陥診断装置および診断方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
陽電子は電子と同じ質量を持ち、電子の電荷と絶対値が等しく、符号が反対の電荷を有する粒子である。陽電子はβ＋崩壊する放射性同位元素、例えば２２Ｎａ等から放出されるが、この陽電子源から放出された数百ｋｅＶの陽電子が試料に照射されると、試料中に飛び込んだ陽電子が電子やイオンと衝突を繰り返し、それによって１ピコ秒（１０−１２秒）程度の短い時間で陽電子は熱エネルギ程度まで減速される。熱化された陽電子は、試料が金属の場合には、約１００〜３００ピコ秒の寿命（各金属に固有）で電子と対消滅する。試料中に、空格子点等の欠陥が存在すると、陽電子はそこに捕捉され、欠陥に固有の長い寿命（約１５０〜５００ピコ秒）で消滅する。そこで、陽電子が、試料中で消滅するまでの寿命を測定することによって、欠陥に関する情報を得ることができる。
【０００３】
陽電子寿命測定法としてはサンドイッチ法が知られている。放射性同位元素２２Ｎａはβ＋崩壊によって陽電子を放出するが、その際に、１．２８ＭｅＶのエネルギを持つγ線を放出する。一方、陽電子が材料中で電子と対消滅するときには、０．５１ＭｅＶのγ線が放出される。そこで、陽電子寿命を測定するために、まず、陽電子寿命を測定したい材料からなる試験片を２枚用意し、それで線源をはさみ、線源から放出された陽電子が全て被測定材料中に入射するようにする。そして、２台のγ線検出器を用いて、１台で１．２８ＭｅＶのγ線を検出して陽電子発生時刻を知り、もう１台で０．５１ＭｅＶのγ線を検出して陽電子消滅時刻を知り、その時間差から、材料中の陽電子寿命を測定する。この方法では、厳密には、陽電子が発生した時刻と材料中に入射した時刻は異なるが、線源と試験片を近接させておけば、実際上は、陽電子発生時刻と材料中に入射した時刻を同じと考えて良い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
サンドイッチ法では、同質の試験片が２枚必要である。これは試験片が１枚では、せっかく１．２８ＭｅＶのγ線を検出して発生時刻を知り得た陽電子があっても、そのうち過半数が試験片以外の材料または大気中で消滅してしまうため、正確に被測定材料の陽電子寿命を測定する事ができないためである。陽電子寿命測定は原理的には非破壊測定法ではあるのだが、この測定上の制約のために現状では構造材料の非破壊診断に応用できないでいる。また、実験室での測定においても、１枚の試験片で陽電子寿命が測定できれば、世の中に１つしか存在しない貴重な試料の測定も可能になるうえ、通常の試料であっても試料を作製準備する手間とコストを削減できる。
【０００５】
１枚の試験片で陽電子寿命を測定できる方法として、２台の陽電子レンズを用いて、線源から放出される陽電子を収束させて試験片に照射する方法が提案されている（白井泰治他：日本金属学会誌５９巻６号（１９９５）ｐ６７９、および、白井泰治：生産と技術４８巻４号（１９９６）ｐ５０）。この方法では、試験片は１枚でよいが、真空チャンバー内に試験片を入れる必要があるため、大きな試料の測定はできず、また、真空装置と電磁レンズが必要であるため、装置が高価になるという問題があった。
【０００６】
一方、従来法では陽電子の入射時刻を知るために、１．２８ＭｅＶのγ線を検出する必要がある。高エネルギのγ線から高速のタイミング信号を取り出すためには、高速シンチレータと高速の光増倍管を用いる必要があり、時間分解能を低下させずにスタート検出器を約５０ｍｍφ×約２５０ｍｍＬ以下に小型化することは不可能であった。ストップ検出器も同様である。このように大きな検出器を２台必要とするため非破壊検査への適用はほとんど不可能であった。
【０００７】
本発明の目的は上述した課題を解消して、大型構造物の陽電子寿命を非破壊かつその場で、さらに短時間で効率よく測定することができる陽電子を用いた材料欠陥診断装置および診断方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の陽電子を用いた材料欠陥診断装置は、陽電子を被測定材料に入射させ、その陽電子の寿命を測定することにより、被測定材料の劣化度合を評価する材料欠陥診断装置であって、陽電子線源、陽電子検出器およびγ線検出器を備え、陽電子線源と陽電子検出器を、光を通さない容器の中に設けるとともに、陽電子線源から照射されて、陽電子検出器を透過した陽電子を、外部に取り出す陽電子取り出し窓を容器に設け、さらに、陽電子線源の陽電子検出器とは反対側であって容器内に、陽電子寿命が既知であり、しかも、測定しようとしている被測定材料のものとかさならない陽電子寿命となる材料から成る陽電子遮蔽材を設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の診断方法は、上述した構成の陽電子を用いた材料欠陥診断装置を用いて、陽電子線源から照射された陽電子の通過を陽電子検出器で検出し、陽電子取り出し窓から取り出された陽電子を被測定材料に照射し、被測定材料中で消滅した陽電子によるγ線の発生をγ線検出器で検出し、陽電子検出器で陽電子の通過を検出した時からγ線検出器でγ線の発生を検出した時までの時間で定義される陽電子寿命から被測定材料の材料欠陥を診断することを特徴とするものである。
【００１０】
従来のサンドイッチ法では、１．２８ＭｅＶのγ線を検出することによって、陽電子発生時刻を知り、この陽電子発生時刻をもって陽電子が被測定材料中に入射した時刻としている。このため、線源と被測定材料との間に距離があってはならず、線源と被測定材料を密着させねばならない。その結果、被測定材料は常に線源による汚染の危険にさらされてしまっている。また、１．２８ＭｅＶのγ線の放出される方向と陽電子が放出される方向には相関がないために、１．２８ＭｅＶのγ線検出によって陽電子放出方向を特定できない。このため、いずれの方向に陽電子が放出されたとしても、全ての陽電子は被測定材料中で消滅するように、線源を被測定材料で覆う必要があった。１．２８ＭｅＶのγ線発生時刻から陽電子発生時刻を知るのでなく、被測定材料に入射する陽電子を直接検出して、それを陽電子発生時刻として利用すれば、サンドイッチ法の場合のように、線源を被測定材料で覆う必要はなくなる。以上の検討の結果、本発明者は、上記陽電子を用いた材料欠陥診断装置および診断方法を見い出した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の陽電子を用いた材料欠陥診断装置の一例の構成を示す図である。図１に示す例において、陽電子を被測定材料に入射し、その陽電子の寿命を測定することにより、被測定材料の劣化度合を評価する材料欠陥診断装置１は、陽電子線源２、陽電子検出器３およびγ線検出器４を備えている。また、陽電子線源２と陽電子検出器３を、光を通さない容器５中に設けるとともに、陽電子線源２から照射されて、陽電子検出器３を透過した陽電子を、外部に取り出す陽電子取り出し窓６を容器５に設けている。
【００１２】
図１に示す例では、さらに好ましい態様として、γ線検出器４を、陽電子線源２をはさんで、陽電子検出器３とは反対側の容器５外に設けるとともに、陽電子線源２の陽電子検出器３とは反対側であって容器５の内部に、陽電子寿命が既知の材料から成り、しかも、測定しようとしている被測定材料の陽電子寿命とかさならない陽電子遮蔽材７を設けている。上述した構成の本発明の材料欠陥診断装置１はコンパクトに構成できるため、原子炉やジェットエンジン、発電用大型タービン等の重要機器を構成する材料の照射損傷や疲労、クリープ損傷の進行度を、現場で非破壊診断することができる。
【００１３】
上述した構成の本発明の陽電子を用いた材料欠陥診断装置１では、以下のようにして材料欠陥を診断する。まず、材料欠陥診断装置１を、図１に示すように、被測定材料１１の近傍にセットする。そして、陽電子線源２から照射された陽電子の通過を、陽電子検出器３で検出する。検出した時刻を陽電子発生時刻とする。そして、陽電子取り出し窓６から取り出された陽電子を被測定材料１１に照射し、被測定材料１１中で消滅した陽電子によるγ線の発生を、γ線検出器４で検出する。検出した時刻を陽電子消滅時刻とする。その後、陽電子発生時刻から陽電子消滅時刻までの時間で定義される陽電子寿命を図示しない演算装置で求め、求めた陽電子寿命から被測定材料１１の欠陥を診断する。
【００１４】
被測定材料１１の材料欠陥を陽電子寿命から診断する方法は、従来と同じである。一例として、図２にステンレス鋼についての陽電子平均寿命と疲労寿命比との関係を応力一定の場合と歪み一定の場合で示す。図２のグラフにおいて、疲労寿命比（Ｎ／Ｎｆ）０％が未損傷材を示し、疲労寿命比１００％が破断を示す。図２の結果から、陽電子平均寿命を知ることで、被測定材料１１が現在どのような状況にあるのか、例えば、あとどの程度材料の寿命があるのか、を知ることができる。
【００１５】
以下、本発明の材料欠陥診断装置１を構成する各部材について詳細に説明する。まず、陽電子線源２には、β＋崩壊によって陽電子を発生する放射性同位元素、例えば２２Ｎａや６８Ｇｅを用いることができる。このような放射性同位元素から放出される陽電子は、通常、３００ｋｅＶから８００ｋｅＶ程度の運動エネルギを持っており、厚さが０．０１ｍｍ程度の金属箔であれば容易に通り抜けることができる。陽電子取り出し窓６は、陽電子を透過させるために十分薄くしかも破損し難いように、強度が強い必要がある。そのためには、陽電子取り出し窓６として、厚さが０．０１ｍｍ程度のベリリウム箔、チタン箔、ニッケル箔等の金属箔を用いることが好ましい。
【００１６】
陽電子の透過を検出し、しかも、陽電子を透過させる陽電子検出器３には、厚さが０．１ｍｍ程度のシリコン製アバランシェフォトダイオードを用いることができる。ただし、陽電子検出器３は、陽電子の他に光を検出してしまうので、遮光のために光を通さない容器５に入れる必要がある。また、陽電子検出器３に入射した陽電子の一部は、陽電子検出器３内で散乱されて、後方に戻ってくる。この散乱陽電子は、一部は線源２内で消滅し、残りは線源２を通りぬけて後方の容器５にあたる。このような陽電子が消滅するときのγ線はノイズとなるので、陽電子線源２の後方には、陽電子寿命が既知で、しかも、測定しようとしている被測定材料１１の陽電子寿命とかさならない材料を陽電子遮蔽材７として設けることが好ましい。そのような材料を陽電子遮蔽材７として選択することで、その陽電子寿命に基づき信号の補正をすることができる。陽電子遮蔽材７は、通常の金属であれば、厚さが１ｍｍ程度で十分である。もちろん、遮光用の容器５の材料に、このような陽電子遮蔽材７を用いて、両者を兼用することもできる。
【００１７】
陽電子検出器３内の散乱によって大きく方向が変わった陽電子を除いた、陽電子検出器３を通過した陽電子を、全て、被測定材料１１に入射させるために、陽電子取り出し窓６は、陽電子検出器３の有効部より面積が大きく、かつ、陽電子検出器３に近接させて設けることが好ましい。陽電子取り出し窓６から取り出された陽電子を被測定材料１１に照射し、被測定材料１１中で消滅した陽電子によるγ線をγ線検出器４で検出するのであるが、γ線を捕獲する立体角を大きくとるために、γ線検出器４は、陽電子が被測定材料１１に照射される真上、つまり、陽電子線源２をはさんで、陽電子検出器３の反対側に設置することが好ましい。γ線は物質の透過能が大きいので、間に陽電子線源２や陽電子遮蔽材７、陽電子検出器３がはいっても、これらの障害物によるγ線のロスは、ほとんど無い。なお、γ線検出器４は、通常、可視光線も検出してしまうため遮光して使用するので、陽電子検出器３の遮光容器５の中に、γ線検出器４を一緒に入れて遮光用の容器５を兼用することもできる。
【００１８】
γ線検出器４では、陽電子検出器３を通過し、被測定材料１１内で陽電子によるγ線（これが測定したい信号である）のほかに、陽電子検出器３の後方に散乱されて、陽電子線源２あるいは線源２の後方の陽電子遮蔽材７で消滅したγ線と、陽電子検出器４に入射せずに、線源２内あるいは容器５内で消滅する陽電子によるγ線も検出してしまう。陽電子検出器３に入射せずに、線源２内あるいは容器５内で消滅する陽電子によるγ線の影響は、次のように、弱い陽電子線源２を用いることによって小さくすることができる。
【００１９】
通常、陽電子寿命は、物質内で１００ピコ秒から数ナノ秒程度であるので、１個の陽電子が陽電子検出器３を透過してから消滅するまでの数ナノ秒の間に他の陽電子が発生しないように、弱い陽電子線源２を用いることが好ましい。例えば、１０マイクロキュリーの線源では、放出される陽電子数は毎秒３６万個であり、陽電子は約３マイクロ秒に１個しか放出されない。陽電子検出器３で陽電子が検出されてから、１０ナノ秒以内にγ線が放出された場合にのみ信号として計測することにすると、陽電子検出器３を通過した陽電子が、被測定材料１１中で消滅して発生したγ線の信号と、１個の陽電子が陽電子検出器３を透過して１０ナノ秒以内に偶然他の陽電子が発生して容器５内で消滅して発生するγ線による信号との比を、１／３００以下にできる。このように弱い線源２を用いても、陽電子は毎秒３６万個発生しているため、陽電子検出器３を透過した陽電子の数のみ計測しても、通常のサンドイッチ法で測定されているよう、毎秒１００カウント程度の信号は容易に得られる。
【００２０】
一旦、陽電子検出器３に入射し、陽電子検出器３内で後方に散乱されて、線源２あるいは線源２の後方の容器５で消滅したγ線による信号については、陽電子検出器３の厚さを薄くすることによって低減させることが可能であるが、さらに、先に陽電子遮蔽材７について述べたように、測定しようとする被測定材料１１と陽電子寿命がかさならない材料を容器５の材料に選び、信号から、容器５の陽電子寿命成分を差し引くことによって、補正を行うことができる。
【００２１】
以下、本発明の材料欠陥診断装置１を構成する各部材の作用について説明する。まず、陽電子検出器３にアバランシェフォトダイオードを用いると好ましいのは、陽電子が透過できるように陽電子検出器３の厚さを０．１ｍｍ程度に薄くしても、陽電子をほとんど１００％検出できるからである。その結果、従来法に比べ、陽電子検出器３の体積を約１０００分の１にすることができる。陽電子検出器３を光を通さない容器５に入れるのは、そうしないと、陽電子検出器３が外部の光を検出して信号（ノイズ）を発生するからである。陽電子線源２は、必ずしも光を通さない容器に入れる必要はないが、陽電子線源２から発生する陽電子を陽電子検出器３に入射させるためには、陽電子線源２と陽電子検出器３を一緒に容器５に入れる方が効率的であるからである。また、陽電子取り出し窓６に金属箔を用いると好ましいのは、陽電子を透過させるために０．０１ｍｍ以下に薄くすることができ、しかも、容易に破損しない強度を持つためである。このような金属箔材料としては、ニッケル、ベリリウム、チタン、アルミニウム等が適している。γ線検出器４を陽電子線源２をはさんで被測定材料１１の反対側に置くと好ましいのは、γ線を計測する有効立体角を大きくできるからである。
【００２２】
【実施例】
以下、実際の例について説明する。
図１に示す構成の本発明の材料欠陥診断装置１において、２枚のアルミニウム製の板に、１０マイクロキュリーの強さの２２Ｎａ陽電子線源２をはさんでネジで固定した。ここで、１枚の板の中心部分には、直径４ｍｍの穴があけてあり、陽電子検出器３としてアバランシェフォトダイオードをこの穴に接近させて固定した。アバランシェフォトダイオードの有効検出部の大きさは５ｍｍ×５ｍｍであり、線源２から放出されて窓７から出てくる陽電子は全て、アバランシェフォトダイオードの有効検出部に入射する。アバランシェフォトダイオードの有効検出部の厚さは０．１ｍｍであり、陽電子の大半は透過することができる。この線源２とアバランシェフォトダイオードを、直径１０ｍｍ、厚さ０．０３ｍｍのチタン箔製の窓７を設けた、厚さ１ｍｍのステンレス製の容器５に入れた。ステンレス製の容器５には光が入らないように設計してある。線源２を出て陽電子検出器３を透過した陽電子が、チタン製窓７を透過し、外部に取り出せるよう構成されている。γ線検出器４としてはＢａＦ２シンチレータを取り付けた光電子増倍管を用い、ステンレス製の容器５の外側で、線源２の真上の位置に固定した。
【００２３】
３０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍの形状の純鉄試験片を作製し、歪みを除去するために６００℃で１時間焼鈍し、次に電界研磨によって表面酸化膜を取り除き、本発明の材料欠陥診断装置１を用いて陽電子寿命測定をおこなった。γ線消滅信号は３００カウント／秒であり、６０分の測定で、寿命解析に必要な１００万カウントのデータが得られた。本装置を用いた場合、一部の陽電子がアバランシェフォトダイオードの中で消滅し、また、一部の陽電子はアバランシェフォトダイオード内で散乱されて軌道が変わり、再び線源２に入射し、線源２内で消滅し、あるいは線源２を通り抜けて容器５に衝突して消滅することが予想され、その結果、シリコンあるいはステンレスの陽電子寿命成分が混ざることが予想される。線源２内の陽電子寿命は３５０ピコ秒、シリコンとステンレス鋼の陽電子寿命はいずれも、約２００ピコ秒程度である。欠陥の少ない純鉄の陽電子寿命は１０５ピコ秒であることが知られているので、純鉄試験片の陽電子寿命測定を行い、１０５ピコ秒成分の割合を調べることによって、本装置の性能評価を行うことができる。得られた陽電子消滅データを、１０５ピコ秒、２００ピコ秒、３５０ピコ秒の３つの寿命成分で解析し、強度比を求めた。結果を以下の表１に示す。
【００２４】
表１の結果結果から、純鉄の寿命成分である１０５ピコ秒成分が５５％測定されており、本発明装置を用いて、正しく被測定材料の寿命測定ができることがわかる。２００ピコ秒成分が２０％、３５０ピコ秒の成分が２５％混ざっているが、これは、アバランシェフォトダイオード、線源２内で消滅する陽電子によるものである。これによる影響は、解析の際にこれらの成分を前もって除去しておくことによって軽減することができる。
【００２５】
次に、比較のために、上述したのと同じ純鉄試験片をステンレス板で１０マイクロキュリー線源をはさみ、２台のγ線検出器を用いて、サンドイッチ法で陽電子寿命測定を行った。γ線検出器は、上で用いたものと同じＢａＦ２シンチレータを電子増倍管に取り付けたもので、ステンレス板の後方で、板に対して４５度の角度になるように並べた。γ線検出器を２台ともステンレス板の後方に置くのは、大型の被測定物（例えば発電用ボイラー管等）を想定したとき、被測定使用の後方にはγ線検出器を設置できないからである。線源には１０マイクロキュリーの２２Ｎａを用いている。以下の表１に結果を示す。このときのγ線消滅信号は３０カウント／秒であった。また、表１の結果から、本来の信号である１０５ピコ秒成分の強度比は４０％で、一方２００ピコ秒成分が４０％、３５０ピコ秒成分が２０％であることがわかる。
【００２６】
以上の結果から、本発明では、従来法であるサンドイッチ法に比べて、信号強度が大きく、しかも、被測定材料からの信号の割合が大きくできることが示された。
【００２７】
【表１】
0003671223.tif 000002
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、陽電子線源、陽電子検出器およびγ線検出器を備え、陽電子線源と陽電子検出器を、光を通さない容器の中に設けるとともに、陽電子線源から照射されて、陽電子検出器を透過した陽電子を、外部に取り出す陽電子取り出し窓を容器に設けているため、装置自体の構成をコンパクトにすることができ、しかも、大型構造物の陽電子寿命を非破壊かつその場で、さらに短時間で効率よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の陽電子を用いた材料欠陥診断装置の一例の構成を示す図である。
【図２】ステンレス鋼についての陽電子平均寿命と疲労寿命比との関係を応力一定の場合と歪み一定の場合で示すグラフである。
【符号の説明】
１  材料欠陥診断装置
２  陽電子線源
３  陽電子検出器
４  γ線検出器
５  容器
６  陽電子取り出し窓
７  陽電子遮蔽材
１１  被測定材料
【図１】
0003671223.tif 000003
【図２】
0003671223.tif 000004