(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
消滅する際のポジトロンが特性γ線を生じさせる陽電子消滅を利用して被測定物内における格子欠陥などの欠陥を検出し評価する欠陥評価装置において、サブピコ秒オーダーのパルス幅を有するパルスレーザーを発生させるレーザー装置と、前記パルスレーザーを集光強度１０１９Ｗ／ｃｍ２まで集光する集光光学素子と、前記パルスレーザーが照射されることにより内部にＸ線を発生させそのＸ線によりポジトロンを生成する被測定物から前記ポジトロン消滅時に放出される特性γ線を測定するγ線検知器とを有し、前記特性γ線の発生タイミングまたはエネルギースペクトルにより欠陥を検出し評価することを特徴とする欠陥評価装置。
【請求項２】
前記γ線検知器とともにＰＩＮダイオード及びタイマーを更に有し、前記パルスレーザーをトリガーとして前記ポジトロン消滅時に放出される特性γ線の測定を開始することを特徴とする請求項１記載の欠陥評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、欠陥評価装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、消滅する際のポジトロンがγ線を生じさせる陽電子消滅の現象を利用して被測定物内における格子欠陥や微少なボイドなどの欠陥を検出し評価する装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バルク材料の内部には格子欠陥や微少なボイド（結晶内に発生した空洞）のような外部から検出できない欠陥が生じていることがあり、このような内部欠陥を検出するのに、陽電子消滅の現象を利用するものがある。これは、図２に示すように、ポジトロン（陽電子）を被測定物１０１の中に投じてその中の電子と対消滅を起こさせ、その際に発生するγ線を手がかりとしてバルク材料の物理的ないし化学的性質を探ろうとするもので、欠陥１０２に届いた時点で欠陥部分の電子と再結合して消滅するポジトロンの消滅特性を利用している。
【０００３】
従来、このようにポジトロンを利用して被測定物１０１内部のクラックやポット、ボイドなどの欠陥１０２を検出し材料評価する場合は、放射性同位体あるいは電子線加速器を用いた陽電子源からポジトロンを材料に向けて照射して行うことが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般にポジトロンの金属材料などにおける透過特性は高くなく、その浸透深さは数１００ミクロンのオーダーであり、それ以上の深さのデータは得ることができない。この浸透深さは、０．３ｍｍ程度にとどまることもある。このため、上述のようにポジトロンを利用した材料評価では、これより深い位置では十分な欠陥評価が得られないという問題を呈し、バルク材料の表面近傍については詳細な情報が得られるがバルク内の詳細な情報は得ることができないものであった。
【０００５】
また、電子線加速器を用いた場合は装置が大きくなりすぎる問題もある。
【０００６】
そこで、本発明は、バルク材料など被測定物の内部欠陥の状況を表面から深い位置であっても有効に検出し評価できる欠陥評価装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本願発明者らは、陽電子消滅現象を利用した欠陥の検出・評価であって、従来の浸透深さではポジトロンが消滅しない技術、換言すれば従来よりも深い位置でポジトロンを消滅させ得る技術について検討を重ね、かかる技術を知見するに至った。
【０００８】
請求項１記載の発明はかかる知見に基づくもので、消滅する際のポジトロンが特性γ線を生じさせる陽電子消滅を利用して被測定物内における格子欠陥などの欠陥を検出し評価する欠陥評価装置において、サブピコ秒オーダーのパルス幅を有するパルスレーザーを発生させるレーザー装置と、パルスレーザーを集光強度１０１９Ｗ／ｃｍ２まで集光する集光光学素子と、パルスレーザーが照射されることにより内部にＸ線を発生させそのＸ線によりポジトロンを生成する被測定物からポジトロン消滅時に放出される特性γ線を測定するγ線検知器とを有し、特性γ線の発生タイミングまたはエネルギースペクトルにより欠陥を検出し評価するものである。
【０００９】
この発明は、ポジトロンを直接照射するのではなく、物質透過性のある電磁波を利用して当該被測定物の内部で発生させ、被測定物内部の欠陥の表面からの深さ如何にかかわらず当該欠陥部分におけるポジトロンの消滅を可能とするものである。
【００１０】
ここで、例えば物質透過性の高いＸ線（γ線を含む）であれば通常は数十ｋｅＶ程度のエネルギーで照射されるため表面から５０ミクロン位しか届かず、さらにポジトロン発生に必要なエネルギーしきい値の１．０２２ＭｅＶ（約１．６３７×１０-13Ｊ）に足らないためポジトロンをつくり出すことはできなかったところ、本発明ではＭｅＶクラスの非常に高いエネルギーを有するビーム例えばサブピコ秒オーダーのレーザーを照射することによりピコ秒程度の高エネルギー電子を発生させ、次にそれを制動輻射により高エネルギーかつピコ秒程度のパルス幅であるＸ線パルスを発生させ、さらに、この高エネルギーのＸ線を被測定物に照射することにより被測定物中でポジトロンを発生させる。そして、ポジトロン消滅時に出てくるγ線の照射タイミングやキャッチするタイミング、あるいはエネルギースペクトルによって欠陥の様子を把握する。この時、Ｘ線の透過特性はポジトロンに比べると格段に良いために数ｃｍ程度の大きい領域での測定が可能であり、ポジトロンを照射する場合の１００倍程度の深さまで到達可能となることから、構造材などのバルク材料の内部欠陥の有効な検出・評価が可能となる。
【００１１】
加えて、短パルスのレーザーを利用することで高エネルギーのＸ線（γ線を含む）の発生を可能としていることから、電子線加速器などを用いて電子を加速させるようなことが不要である。このため、装置が大きくなりすぎる問題も解消できる。
また、ここでは、被測定物にＸ線を照射する代わりにパルスレーザーを直接照射する。この場合、パルスレーザーは被測定物の内部でＸ線を発生させるので、そのＸ線によって被測定物内部でポジトロンを発生させることができる。したがって、ポジトロン消滅時に出てくるγ線の照射タイミングやキャッチするタイミング、あるいはエネルギースペクトルによって欠陥の様子を把握できる。
【００１６】
また請求項２記載の発明は、請求項１記載の欠陥評価装置において、γ線検知器とともにＰＩＮダイオード及びタイマーを更に有し、パルスレーザーをトリガーとしてポジトロン消滅時に放出される特性γ線の測定を開始するようにしたものである。これによると、より精度よくポジトロン消滅のタイミングを計測できるようになる。
【００１９】
また、被測定物にパルスレーザーを直接照射した場合も、被測定物内部でＸ線を発生させることができるためＸ線を照射した場合と同様に内部欠陥の検出・評価を行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１に、本発明の一実施形態を示す。被測定物２内における格子欠陥３を検出し評価する欠陥評価装置１は、サブピコ秒オーダーの波長のレーザー光を発生することのできる図示しないレーザー装置、レーザー光を集光する集光光学素子４、レーザーが照射されるレーザーターゲット５、γ線コンバーター６、γ線検知器７、ノイズ遮蔽板８、ＰＩＮダイオード９、タイマー１０、分析装置１１を備えている。
【００２２】
集光光学素子４は、レーザー装置から照射されたレーザー光を１０ミクロン程度のスポットに集光し、レーザーターゲット５上で一点照射する。レーザーターゲット５はプラスチックや金属の固体あるいはノズルから噴射される超音速ガスジェットが適当である。
【００２３】
ここで、レーザーターゲット５に照射するレーザー光は、好ましくはサブピコ秒程度オーダーのパルス幅を有する高エネルギーのレーザー光とする。このような高エネルギーのレーザー光は強度の低い前駆的パルス成分（プリパルス）を有しており、これによりレーザーターゲット５はプラズマ化される。例えばこのレーザー光としては赤外などのレーザー光なども用いることが可能である。
【００２４】
このプラズマ化したレーザーターゲット５にパルス本体が照射されると、（１）ボンディアモーティブ力、（２）共鳴吸収、（３）バーネル加熱、あるいは航跡場加速のメカニズムにより電子は加速される。この時、集光強度が例えば１０19Ｗ／ｃｍ2程度になると数ＭｅＶ（メガエレクトロンボルト）に達する高エネルギーの電子を発生させることが可能となる。
【００２５】
この電子は原子番号の高い物質、たとえばタングステンや鉛などからなるターゲットたるγ線コンバーター６に照射され、荷電粒子（電子）がγ線コンバーター６中の原子核のクーロン力を受けるなどし、制動輻射（制動放射）により高エネルギーのγ線を発生する。ここで発生させるγ線は１ＭｅＶ（約１．６０２２×１０-13Ｊ）以上のものが有効である。
【００２６】
このγ線は被測定物（ここでは金属などを想定）２に照射され、透過し、内部でγ線減衰の過程を経て電子対を生成する。つまり、数ｃｍ程度の距離を伝播し、被測定物２の内部に達した後に電子（エレクトロン）とポジトロンの対を生成する。
【００２７】
このように被測定物２内部で生成したポジトロンは、１ピコ秒程度の内にエネルギーを失い格子欠陥３に補足される。その後、欠陥の大きさに依存した時間で再び電子と再結合し、陽電子消滅によってエネルギーが約５１１ｋｅＶ（約８．１８７×１０-14Ｊ）の特性γ線を２個放出する。この特性γ線をγ線検知器７で検出し、レーザー照射時からの時間を計り、その値からγ線の伝達時間を差し引くことにより、ポジトロンの消滅時間を求めることができる。なお、γ線検知器７の側脇に設置したノイズ遮蔽板８が被測定物２に照射される前段階のγ線による影響を遮断する。
【００２８】
ここで、図１に示すように、レーザー光が照射されたレーザーターゲット５からは電子ビームのほかレーザープラズマによるＸ線も発生している。そこで本実施形態ではγ線検知器７とともにＰＩＮダイオード９およびタイマー１０を設け、このＸ線をレーザー照射タイミングを計るトリガーとして利用する。この場合、レーザー光を直接集光してトリガーとする場合よりも精度を上げることが可能となる。
【００２９】
以上のように照射と特性γ線とでタイミング（具体的には陽電子の寿命）を計るとともに、分析装置１１さらには図示しないマイクロチャンネルアナライザーを用いて特性γ線のエネルギー分布を求める。これらタイミングやエネルギースペクトルの様子により格子欠陥３の欠陥密度や大きさなどが推定でき、被測定物２の内部を検出し評価することができる。
【００３０】
ここで、本実施形態ではγ線を透過させ、被測定物２の内部でポジトロンを生じさせていることから、ｍｍ（ミリメートル）オーダーさらにはｃｍ（センチメートル）オーダーの浸透深さを得ることができる。このため、格子欠陥３が表面から深い位置にあるような場合でも検出し十分な欠陥評価が得られるようになり、したがってバルク材料の表面近傍のみならず全体的に詳細な情報が得られる。
【００３１】
しかも、本実施形態では短パルスのレーザーを照射するだけで高エネルギーのγ線を発生させるようにしたことから、電子線加速器などを用いて電子を加速させなくても高強度の照射γ線とすることができ簡単である。欠陥評価装置１が大きくなりすぎる問題も解消できる。
【００３２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では被測定物２の格子欠陥３を検出する場合について説明したがこの格子欠陥３は被測定物２の内部欠陥の一態様に過ぎず、本発明の欠陥評価装置１によれば陽電子消滅を利用してクラックやポットなどバルク材料内部の種々の欠陥を検出できる。
【００３３】
また、本実施形態では被測定物２にγ線を照射することとしたが、照射するのは特にγ線に限定されるものではない。一般にＸ線の方がエネルギーが弱いが、電子対生成に必要なエネルギー（例えば１ＭｅＶ（約１．６０２２×１０-13Ｊ）以上）を備えていれば足りるため、本発明においてγ線とＸ線とを厳密に区別するようなことはない。
【００３４】
さらに、本実施形態では高エネルギーのパルスレーザーを利用してパルスＸ線を発生させ、被測定物２の内部でポジトロンを発生させるものだが、本発明による欠陥検出はパルスレーザーを利用したものに限られない。例えば、電子線加速器を利用した場合において、高エネルギーのＸ線を照射することが可能であれば本実施形態と同様に被測定物２の内部でポジトロンを発生させることが可能となる。
【００３５】
また、本実施形態ではレーザーターゲット５にパルスレーザーを照射し、これにより発生するγ線（またはＸ線）を被測定物２に照射するようにしたが、レーザーターゲット５を介さずパルスレーザーを直接に被測定物２へ照射することもできる。このようにした場合、パルスレーザーは被測定物２の内部でＸ線を発生させるので、そのＸ線によって被測定物２の内部でポジトロンを発生させることができる。したがって、ポジトロン消滅時に出てくるγ線の照射タイミングやキャッチするタイミング、あるいはエネルギースペクトルによって欠陥の様子を把握し、γ線（Ｘ線）を照射した場合と同様に構造材などのバルク材料の内部欠陥の有効な検出・評価が可能となる。
【００３６】
【実施例】
実際に被測定物２がFe57Cr16Ni17である場合、ポジトロンの再結合時間を除いた場合の検知される特性Ｘ線の時間波形を検討する。γ線検知器７は直径が３インチであり、その厚みを無視し、γ線照射位置から５ｃｍの位置に設置するものとした。また、入射したγ線に対する検出効率は１００％としている。この時のγ線の伝達時間から歪むパルスの幅は２００ピコ秒程度であり、デコンボルーションなどの手法によりその影響を除去できるレベルである。また、深さ方向での特性γ線の検出効率を検討すると、約５ｃｍ程度の深さまでの計測が可能であることが分かる。γ線光子１個あたりの特性Ｘ線の検出効率はピークの最大でも、５ＭｅＶ（約８．０１１×１０-13Ｊ）のγ線のときに0.0004程度であるが、レーザーのエネルギーを適当な値に選べば、レーザー１照射あたりのγ線の生成量として10000個程度の光子を発生すれば、レーザー１照射あたりほぼ１個の特性Ｘ線を検出できることになる。将来的にレーザーの繰り返しが１ｋＨｚになれば２０分で1000,000個の特性Ｘ線を観測することも可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の欠陥評価装置によると、ピコ秒レベルのパルスＸ線とそこからのポジトロン（ポジトロンビーム）を作り出すことが容易なために、材料深部でのポジトロン消滅計測ができ、これにより従来は不可能であったバルク材料内部の深い位置にある格子欠陥や微小空孔の有効な計測・検出とそれによる劣化診断などの評価が可能となる。
【００３８】
しかも、短パルスのレーザーを利用することで高エネルギーのＸ線（γ線を含む）の発生を可能としていることから、電子線加速器などを用いて電子を加速させるようなことが不要である。このため、装置が大きくなりすぎる問題も解消できる。
さらに請求項１記載の欠陥評価装置によると、パルスレーザーを被測定物に照射することにより被測定物内にてＸ線を発生させ、そのＸ線によりポジトロンを発生させることができる。したがって材料深部でのポジトロン消滅計測が可能となる。
【００４１】
また、請求項２記載の欠陥評価装置によると、ポジトロン消滅時の特性γ線の測定をレーザーをトリガーとして開始することで、より精度よくポジトロン消滅のタイミングを計測できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す欠陥評価装置の概略図である。
【図２】従来の欠陥評価における陽電子消滅の様子を示す概略図である。
【符号の説明】
１  欠陥評価装置
２  被測定物
３  格子欠陥（欠陥）
５  レーザーターゲット
【図１】
0003822032.tif 000002
【図２】
0003822032.tif 000003