JP2004505242A

JP2004505242A - 残留表面応力の現位置測定のための装置及び方法

Info

Publication number: JP2004505242A
Application number: JP2002514382A
Authority: JP
Inventors: ルード　クレイトン　オー
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2004-02-19
Also published as: CA2416687A1; US6493420B2; AU2001278964A1; US20020051514A1; KR20030038672A; CA2416687C; EP1311836A4; EP1311836A1; WO2002008739A1; KR100815872B1

Abstract

残留表面応力の現位置測定装置は、小型Ｘ線管（１０４）と検出器とを備える。小型Ｘ線管（１０４）によって放射されたＸ線は、試料表面から回折され、検出器によって遮られる。遮られたＸ線は、光に変換され、第１の光ファイバ束（１１０）及び第２の光ファイバ束（１１２）によって光検出デバイス（１１８）に送られる。受け取られた光の輝度は、光検出デバイス（１１８）によってデジタル化されて、同心にある第１のリング及び第２のリングを生成する。試料表面の残留応力は、第１のリング及び第２のリングの半径の差に基づいて計算される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｉｎ−Ｓｉｔｕ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｒｅｓｉｄｕａｌ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｔｒｅｓｓ］と題された、２０００年７月２１日に提出された米国特許出願番号６０／２１９，９９７号の仮出願の優先権を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、一般に表面応力測定に関する。具体的には、本発明は、現位置の残留表面応力測定に関する。
【０００３】
（背景技術）
残留表面応力は、発電装置構成要素（例えば、冷却管、蒸気発生器のＵ字管、膨張遷移、周溶接など）等の幅広いデバイスにおける金属及び多結晶構成要素の応力腐食割れにおいて重大な役割を果たすことが示されてきた。一般に、多結晶材料の残留応力測定の信頼性ある１つの技法は、回折に基づいている。回折技法は、金属多結晶材料が応力を受けた場合、材料中の弾性歪が、その粒の結晶格子において現れるという事実を利用する。外部から加えられた、又は材料内に残留する応力は、降伏応力未満の場合、数十粒にわたって拡がる原子間弾性マクロ歪となる。応力を受けた結果、格子平面間の距離（即ち、格子面間隔）、及び放射線回折の角度（２θ）が変化する。これにより、回折された放射線のピーク位置が変動し、試料が受けた弾性歪を数値化することができる。
【０００４】
一般に、回折によって応力測定に利用されてきた放射線には、Ｘ線と中性子線の２種類がある。残念ながら、中性子線は、現位置又は表面測定が可能ではない。更に、現存のＸ線回折機器は、現位置利用のための良好な可搬性に対しては、一般に大きすぎる。
【０００５】
ペンシルバニア州立大学は、Ｒｕｕｄ−Ｂａｒｒｅｔｔ位置高感度シンチレーション検出器（ＰＳＳＤ）と呼ばれる、光ファイバーベースのＸ線検出器技術を開発した。このＰＳＳＤは、回折されたＸ線リング上の２つの位置からデータを同時に収集するために２つの独立した検出表面を使用し、これにより、単一の照射で正確な応力を測定する独自の機能を提供する。この単一照射技術は、単一の入射Ｘ線光が、特定の角度θ又は角度θの狭い範囲で回折されて、回折光のコーンを形成する事実に基づく。コーン軸線に垂直な平面は、試料表面が応力を受けていない場合には、円形でコーンを遮り、試料表面が応力を受けている場合には、歪んだ楕円形で遮る。この楕円形の歪みは、表面応力の尺度である。
【０００６】
ＰＳＳＤは、パターンが増幅され電子化されるＰＳＳＤの電子構成部品に、回折Ｘ線パターンの光アナログを伝導するための、長さが約１ｍで断面積が３ｍｍ×１２ｍｍの可撓性の干渉性光ファイバー束を使用する。光信号は、回折Ｘ線パターンをＸ線が光に変換されるシンチレーション・コーティングに当てることにより生成される。このＸ線パターンの光アナログは、可撓性の干渉性光ファイバー束を介して、通常試料から１ｍ又はそれ以上離れたＰＳＳＤの電子構成部品へ運ばれる。ＰＳＳＤの電子構成部品において、光信号は、映像増倍管によって増幅され、次にダイオード・アレイによりデジタルの電気信号へ変換される。このデジタル電気信号は、次に試料表面上の応力を計算するコンピュータで使用される。
【０００７】
現在のところ、ＰＳＳＤ機器は、直径１０ｃｍ以上の導管における検査に限定されており、２００ワットＸ線管を測定表面の近傍（例えば、４ｃｍ）に引き込むことが必要である。本発明のＰＳＳＤは、更なる小型化及び可搬性の改善の幾つかの障壁に取り組む。第１に、Ｘ線源のサイズがかなり縮小されたとはいえ、ファイバー束断面は、直径約７ｃｍ未満の試料内部に対して使用するには大きすぎる。第２に、光ファイバー断面が縮小された場合、現在使用しているダイオード・アレイの空間分解能は、Ｘ線応力測定の適切な正確さを与えるには粗すぎる可能性がある。ＰＳＳＤに関する更なる情報は、米国特許第４，６８６，６３１号及び第５，１４８，４５８号に記載されている。これらの特許は、引用により本明細書に組み込まれる。
【０００８】
前述に基づいて、容易に持ち運びが可能で、近距離（例えば、約５ｃｍ）離れた２つの平行するプレート間の応力を測定可能な改良ＰＳＳＤに対するニーズがある。
【０００９】
（発明の開示）
残留表面応力の現位置測定装置は、小型Ｘ線管と検出器とを備える。例示的な実施形態において、検出器は、小型Ｘ線管に結合された管スリーブと、管スリーブに結合された第１の光ファイバ束と、管スリーブに結合された第２の光ファイバ束と、光ファイバ束に結合された電荷結合素子とを含む。又、光ファイバ保持具及びコリメータのＸ線管本体への組み込みからなる別の実施形態が想定される。Ｘ線管により放射されたＸ線が、試料表面から回折され、第１の光ファイバ束と、第２の光ファイバ束とによって遮られる。遮られたＸ線が、光に変換されて、第１の光ファイバ束及び第２の光ファイバ束によって、電荷結合素子に送られる。受け取った光の輝度が、検出され及び電子化されて、第１のリング及び第２のリングを生成する。試料表面の残留応力が、第１のリング及び第２のリングの半径差に基づいて計算される。
【００１０】
例示的な実施形態において、検出器は、Ｘ線を光に変換するために、第１の光ファイバ束及び第２の光ファイバ束の前端に取り付けられたシンチレータを更に備える。１つの実施形態において、シンチレータは、希土類シンチレータである。別の実施形態において、シンチレータは、カドミウム亜鉛シンチレータである。
【００１１】
別の例示的な実施形態において、検出器は、第１の光ファイバ束と電荷結合素子との間、及び第２の光ファイバ束と前記電荷結合素子との間の両方に映像増倍管を更に備える。映像増倍管は、第１の光ファイバ束及び第２の光ファイバ束から受け取った光をそれぞれ増幅する。
【００１２】
更に別の例示的な実施形態において、検出器は、Ｘ線管から試料表面へＸ線を平行光線束にする、管スリーブに取り付けられたコリメータを更に備える。
【００１３】
例示的な実施形態において、小型Ｘ線管は、直径が１インチよりも小さく、２０ｋＶのＸ線を発生し、１００Ｗよりも小さい消費電力を必要とする。別の例示的な実施形態において、第１の光ファイバ束及び第２の光ファイバ束は、約１０ミクロン以下の寸法の各ファイバーを有し、各ファイバ束が、約６ｍｍ×６ｍｍの断面積を有する。
【００１４】
１つの実施形態において、第１の光ファイバ束が、２つの束に分割されて小型Ｘ線管に沿って通っており、小型Ｘ線管のカソード端の後に再接合されている。別の実施形態において、第１の光ファイバ束は、小型Ｘ線管に近接して取り付けられるように敷設されている。
【００１５】
例示的な実施形態において、電荷結合素子は、複数のピクセルを含み、各ピクセルが、該ピクセル表面に当たる光子を検出可能である。１つの実施形態において、残留応力が、電荷結合素子からのデジタル化されたデータを受け取るために取り付けられたコンピュータによって計算される。
【００１６】
残留表面応力の現位置測定のための方法は、試料表面から回折されたＸ線の第１のセグメントを遮る段階と、試料表面から回折されたＸ線の第２のセグメントを遮る段階と、セグメントを光に変換する段階と、電荷結合素子を通して、第１のセグメントから光の輝度を検出する段階と、電荷結合素子を通して、第２のセグメントから光の輝度を検出する段階と、検出された輝度に基づき第１及び第２のリングを規定する段階と、同心にある第１のリングの第１の半径及び第２のリングの第２の半径を計算する段階と、第１の半径と第２の半径との差を計算する段階と、該差に基づき試料表面の残留応力を計算する段階と、を含む。
【００１７】
例示的な実施形態において、セグメントを光に変換する段階が、第１のシンチレーション・コーティングによって第１のセグメントを光に変換する段階と、第２のシンチレーション・コーティングによって第２のセグメントを光に変換する段階と、を含む
【００１８】
別の例示的な実施形態において、第１のリングを規定する段階が、電荷結合素子によって検出された輝度を１組の曲線に適合させる段階と、１組の曲線における頂点を決定する段階と、第１のリングを規定するために頂点を連結する段階と、を含む。
【００１９】
更に別の例示的な実施形態において、第２のリングを規定する段階が、電荷結合素子によって検出された輝度を１組の曲線に適合させる段階と、１組の曲線における頂点を決定する段階と、第２のリングを規定するために頂点を連結する段階と、を含む。
【００２０】
（発明を実施するための最良の形態）
改良されたＰＳＳＤ
図１は、本発明の実施形態による例示的な現位置の残留応力測定デバイス１００（以下「改良ＰＳＳＤ」）を示している。この改良ＰＳＳＤ１００は、表面応力が測定されるべき試料表面を有する試料管へ挿入される。
【００２１】
改良ＰＳＳＤ１００は、小型Ｘ線管１０４と、Ｘ線管１０４のアノード端に結合された管スリーブ１０６と、コリメータ１０７と、光ファイバー束Ａ１１０を保持する光ファイバー束保持具Ａ１０８（以下保持具Ａ）と、光ファイバー束Ｂ１１４を保持する光ファイバー束保持具Ｂ１１２（以下保持具Ｂ）と、光ファイバー束Ａ１１０及び光ファイバー束Ｂ１１４のためのそれぞれシンチレーション・コーティング層１１６Ａ及び１１６Ｂと、電子構成部品１１８とを含む。説明を容易にするために、図１には光ファイバー束Ｂ１１４に取り付けられた電子構成部品１１８だけを示している。
【００２２】
例示的な実施形態において、電子構成部品１１８は、光ファイバー束Ｂ１１４を通って検出光を受け取る電荷結合素子（ＣＣＤ）１２２に結合された映像増倍管１２０を含む。図示しないが、光ファイバー束Ａ１１０は、映像増倍管１２０及び電荷結合素子１２２に取り付けられている。ＣＣＤ１２２は、映像増倍管１２０から受け取った増幅光を電子化し、この電子化データを、試料表面上の残留応力を計算するコンピュータ１２４等の高速な計算機へ供給する。
【００２３】
例示的な実施形態において、試料管１０２の直径は、約５０ｍｍである。この実施形態において、Ｘ線管１０４は、カソード端で約２５ｍｍであり、アノード端で約１８ｍｍであり、全長が約１４０ｍｍである。Ｘ線管１０４の他の寸法は、Ｘ線管が直径で１インチよりも小さく、少なくとも電圧が２０ｋＶ未満のＸ線を発生し、１００ワット未満の消費電力を要する条件の下で、本発明の本質から逸脱することなく可能である。好適なＸ線管１０４は、Ｐｒｏｔｏ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｌｉｍｉｔｅｄ等のＸ線管製造メーカから入手可能である。更に、この実施形態において、保持具Ａ１０８及び保持具Ｂ１１２は、約１０ｍｍ×１８ｍｍ×１９ｍｍの寸法を有している。例示的な実施形態において、Ｘ線がＸ線管１０４の垂直軸線に対して角度６０°でＸ線管１０４から放射された場合、保持具Ｂ１１２の前面は、Ｘ線管１０４の垂直軸線に対して角度３０°に配置されている。この角度は、Ｘ線管１０４から放射されるＸ線の角度及び検出される回折角度に応じて変更することができる。例えば、Ｘ線が、Ｘ線管１０４の垂直軸線に対して９０°で放射された場合、保持具Ｂ１１２の前面は、Ｘ線管１０４の垂直軸線に対して６０°であろう。
【００２４】
Ｘ線管１０４は、コリメータ１０７を通って試料管１０２の表面上にＸ線を放射する。例示的な実施形態において、コリメータ１０７は、Ｘ線管１０４からＸ線を平行光線束とするための、断面積１ｍｍ×４ｍｍの方形窓を有する。コリメータ１０７の窓サイズは、望ましいシャープネスとＸ線束とのバランス取りに応じて調整可能である。更に、該窓形状は方形とする必要はなく、例えば円形とすることができる。
【００２５】
通常、平行Ｘ線は、Ｘ線管１０４の垂直軸線に対して任意の角度（例えば、６０°）で試料表面に照射する。この角度は、Ｘ線管１０４の垂直軸線に対して６０°から９０°まで等の許容範囲内で調整可能である。Ｘ線は、試料表面に照射されると、試料表面から回折され、光ファイバー束Ａ１１０及び光ファイバー束Ｂ１１４によって遮られる。一般にＸ線は、Ｘ線コーンとして回折される。これらのＸ線コーンは、該コーンに沿った特定の場所で光ファイバー束１１０、１１４によって遮られる。例えば、Ｘ線コーンが、該コーンの軸線に垂直な平面内で遮られる場合、Ｘ線のリングが遮られる。応力が試料表面に存在する場合、Ｘ線リングは、楕円状となる点に留意されたい。試料表面と光ファイバー束１１０、１１４間との距離が近くなるにつれて、Ｘ線リングのより大きなセグメントが遮られる。従って、そのようなセグメントは、試料表面と光ファイバー束１１０、１１４間との距離がより大きかったために、遮られるセグメントがより小さかった場合に処理されていたと同様に、直線としてはもはや処理されることはできない。
【００２６】
回折されたＸ線は、光ファイバー束１１０、１１４の前部に配置されたそれぞれシンチレーション・コーティング１１６Ａ及び１１６Ｂによって光に変換される。例示的な実施形態において、シンチレーション・コーティング１１６Ａ及び１１６Ｂは、カドミウム亜鉛シンチレータから作られている。別の例示的な実施形態において、シンチレーション・コーティング１１６Ａ及び１１６Ｂは、希土類シンチレータから作られている。しかしながら、該シンチレーション・コーティングは、他の任意の材料から作られることができる。該シンチレーション・コーティングの厚さは、所望の効率及び分解能に応じて調整可能である。
【００２７】
Ｘ線がシンチレーション・コーティング１１６Ａ及び１１６Ｂによって光に変換された後、光は光ファイバー束１１０、１１４をそれぞれ通って進む。例示的な実施形態において、各光ファイバー束は、幾万もの干渉性ファイバーから作られている。各光ファイバー束の最適サイズは、２つの競合する考慮事項に基づいて決定される。即ち、（１）各光ファイバー束は、できる限り多くの回折Ｘ線を捕獲するために、できる限り大きくすべきである、及び（２）各光ファイバー束は、非常に狭い領域内（例えば５０ｍｍ管体）に取り付けられることができるように可能な限り小さくするべきである。例えば、光ファイバー束１１０、１１４を５０ｍｍ管体に取り付ける場合、該考慮事項の間の良好な妥協を得るために、各光ファイバー束１１０、１１４は、６ｍｍ×６ｍｍの断面を有することができる。
【００２８】
光ファイバー束１１０、１１４を通って進む光は、映像増倍管１２０によって光ファイバー束の端で受け取られる。該映像増倍管１２０は、受け取った光を増幅し、次に該増幅した光を電荷結合素子１２２へ供給する。該電荷結合素子１２２は、ピクセル（ｐｉｘｅｌ）を含み、ここで各ピクセルは、表面に照射される数多くの光子を検出する極めて小さな検出器として機能する。一般に、改良ＰＳＳＤのための好適な電荷結合素子１２２が、市販されている。
【００２９】
各光ファイバー束１１０、１１４に関して、電荷結合素子１２２により検出された光子は、電子化された後、Ｘ線リングのセグメントを生成するために利用される。改良ＰＳＳＤ１００が、予め利用可能な応力測定デバイスよりもはるかに狭い空間に取り付けられることができ、シンチレーション・コーティング１１６Ａ及び１１６Ｂから照射試料表面１０２までの距離がはるかに小さいので、回折Ｘ線コーンのより大きなセグメントが、遮蔽されて、最終的に電荷結合素子１２２によって検出されることが見込まれる。結果として、回折Ｘ線のより大きなセグメントは、２次元リングとして処理されるべきである。遮られた２次元リングに基づいて応力を計算するので、電荷結合素子１２２は、従来のダイオード・アレイでの実現よりも好ましい。これは、ダイオードアレイが１次元寸法しか持たない線形配列である一方、電荷結合素子１２２が、２次元寸法を持つエリアアレイであるためであり、これはリング検出にとって好ましい。検出されたリングの種々の特性は、次にコンピュータ１２４等のような高速計算機によって利用され、以下に説明するように、試料表面上の残留応力を計算する。
【００３０】
応力解析
各光ファイバー束１１０、１１４からのリングが検出されて電子化された後、　２つのリングの半径が決定される。このリングの半径は、以下に説明するように、試料表面の残留応力計算に使用される。
【００３１】
単一照射に関して、試料表面の応力は、以下の式１によって計算されることができる。

ここで、Ｅはヤング率、νはポアソン比、角度β、２θ、及び２ηは、以下の試料表面からのＸ線回折を示す概略図で定義されている。
【００３２】
【表１】

【００３３】
次に当技術分野で既知の小さな角に対する近似処理が適用されて、

であり、ここで、検出面が湾曲している（即ち光ファイバー束Ａ１１０及びＢ１１４が平坦である）と仮定した場合、Ｌ’，Ｓ_ｏｌ’，Ｒ’及びＳ_ｏｒ’は、ピクセル内にあり、κはピクセル当たりの角度値である。その結果、式１は次の式に変形される。

ここで、Ｒ_ｏは、作動距離であり、又、試料−検出器距離（即ち、試料表面からシンチレーション・コートされた光ファイバ束Ａ１１０、Ｂ１１４の面までの距離）とも呼ばれている。既知のＲ_ｏの変化に対するＬ’，Ｓ_ｏｌ’，Ｒ’及びＳ_ｏｒ’の変動を測定することにより、応力を受けないピクセル位置のＲ’が、当技術分野で既知の放物線回帰過程を用いて（即ち、Ｒ’＝ＡＬ’^２＋ＢＬ’＋Ｃ、ここでＡ、Ｂ及びＣは、放物線係数）、左ピクセル位置Ｌ’の関数として決定される較正基準が確定する。この手法は、応力の関数としての補正項を備えた、Ｒ_０に対して「予測／修正」（Ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ／Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）反復解法を用いる。その結果、Ｒ_０の初期推測値は、

であり、反復修正値は、

であり、ここでＬ及びＲは、光ファイバー束Ａ１１０及びＢ１１４にそれぞれ取り付けられた電荷結合素子１２２によって検出されたリング半径に等しく、

である。
【００３４】
解Ｒ_ｏが収束すると、（反復値間が０．１％Ｒ_ｏ未満の変化とみなされ）、表面応力は、式２を適用することにより計算される。この手法が大きな作動距離（例えばＲ_ｏ＝２０ｍｍ）に対して適切に働くことが証明された一方で、小さな角度の近似処理（本質的に検出器が湾曲していると仮定）が妥当でない場合（例えばＲ_ｏ＜２０ｍｍの場合）は、正確な方法論を適用することができる。
【００３５】
この正確な方法論は、Ｒ_ｏをＬ’＋Ｒ’＋Ｓ_ｏｌ’＋Ｓ_ｏｒ’の関数として決定し、２η_Ｌｅｆｔ及び２η_{Ｒｉｇｈｔ}の粉末試料表面値をＲ_ｏの関数として決定する放物線回帰過程を用いることにより達成される。前述のように、Ｓ_ｏｌ’及びＳ_ｏｒ’は、線形距離であり、Ｒ_ｏの変化から独立している。多くの回帰測定がなされた結果、Ｓ_ｏｌ’及びＳ_ｏｒ’の位置が最小エラーで決定されることができた。Ｓ_ｏｌ’及びＳ_ｏｒ’の値を用いて、値Ｓ’＋Ｒ’＋Ｓ_ｏｌ’＋Ｓ_ｏｒ’が決定され、ここでＲ_ｏは、粉末試料表面下に既知の厚さのホイルを配置することにより変化する。この考えに基づいて、関数Ｒ_ｏ（Ｓ’＋Ｒ’＋Ｓ_ｏｌ’＋Ｓ_ｏｒ’）及び２η_Ｌｅｆｔ（Ｒ_ｏ）及び２η_{Ｒｉｇｈｔ}（Ｒ_ｏ）が放物線回帰過程によって決定される。
【００３６】
電荷結合素子１２２からのデータ収集及び電子化データに基づく適応の後、Ｒ_ｏは、値（Ｓ’＋Ｒ’＋Ｓ_ｏｌ’＋Ｓ_ｏｒ’）から計算される。Ｒ_ｏが既知になると、値２η_Ｌｅｆｔ（Ｒ_ｏ）及び２η_{Ｒｉｇｈｔ}（Ｒ_ｏ）が粉末試料表面に対して計算される。次に応力材料に関しては、

である。
【００３７】
次に、この値は表面応力を計算するために式１で使用される。値ηを計算することにより、検出器が非湾曲面を有することを考慮して、一貫した単一照射応力測定が、小さい作動距離（例えば、２０ｍｍ未満）でも可能となる。
【００３８】
例示的な実施形態
図２は、本発明の実施形態として分割式光ファイバー束Ａ１１０を示す改良ＰＳＳＤ１００の部分前面図である。この実施形態において、光ファイバー束Ａ１１０は、Ｘ線管１０４の垂直軸線に対して４５°の角度に分割されている。この光ファイバー束Ａ１１０を分割する目的は、Ｘ線管１０４に沿った該ファイバー束の取り付けを容易にするためであり、Ｘ線管１０４からの干渉を低減し、改良ＰＳＳＤ１００の寸法を低減するためである。分割式光ファイバー束Ａ１１０は、光が電子構成部品１１８へ供給される前に、後で再接合される（図示せず）。例示的な実施形態において、光ファイバー束Ａ１１０の分割角度（即ち４５°）は、少なくとも光ファイバーが破損することなく撓むことができる範囲に応じて調整される。この方法によって、Ｘ線管からの干渉が最小となるので、一般に最も大きい許容角度まで光ファイバー束Ａ１１０を撓ませるのが好ましい。好ましい実施形態において、光ファイバー束Ａ１１０は、Ｘ線管１０４の下側に包まれており、改良ＰＳＳＤ１００を最小の干渉とすると同時に最も小型のものとする。
【００３９】
図３は、本発明の他の実施形態として輪郭が描かれた光ファイバー束Ａ１１０を示す改良ＰＳＳＤ１００の別の部分前面図である。この実施形態においては、光ファイバー束Ａ１１０を分割する代わりに、該ファイバー束が、Ｘ線管１０４に沿って通しやすく、Ｘ線管１０４からの干渉を低減し、改良ＰＳＳＤ１００の寸法を低減する任意の角度で敷設されている。
【００４０】
図４は、図３で示された実施形態の別の角度から示された改良ＰＳＳＤ１００の左部分図である。このファイバー束の敷設は、光ファイバー束Ａ１１０ができる限りＸ線管に近接するように撓み調整可能であり、その結果改良ＰＳＳＤ１００は、光ファイバ内で破損を生じることなく、狭い空間内に取り付けられることができる。
【００４１】
図５は、該ファイバー束Ａ１１０が分割又は敷設いずれでも、光ファイバー束Ａ１１０に対する光ファイバー束Ｂ１１４を示す改良ＰＳＳＤ１００の右部分図である。
【００４２】
図６は、本発明の実施形態による改良ＰＳＳＤ１００の別の右部分図である。図６では、保持具１０８、１１２が、ネジ６０２−６０８等の機械的手段を介してコリメータ１０７に取り付けられている。
【００４３】
図７は、本発明の実施形態による改良ＰＳＳＤ１００の別の右部分図である。図７では、保持具１０８、１１２が、エポキシ樹脂等の接着手段を介してコリメータ１０７に取り付けられている。例示的な実施形態において、ネジ６０２−６０８等の機械的手段は、当初は保持具１０８、１１２を望ましい位置に調整するために使用されていた。その後ネジ６０２−６０８は、エポキシ樹脂等の接着手段に置き換えられている。別の例示的な実施形態において、改良ＰＳＳＤ１００全体が１つの剛体として作られており、従って機械的手段又は接着手段のいずれかの必要性を最小にする。
【００４４】
図８は、本発明の実施形態による改良ＰＳＳＤ１００の部分平面図である。この図は、Ｘ線管１０４からのＸ線が、管スリーブ１０６からコリメータ１０７へ出る開口８０２を示している。図７で説明したように、図８に示す機械的手段が、改良ＰＳＳＤの製造方法に応じて任意選択される。
【００４５】
図９は、本発明の実施形態によるＸ線管１０４のアノード端からの改良ＰＳＳＤ１００の左部分図である。図７で説明したように、図８に示す機械的手段が、改良ＰＳＳＤの製造方法に応じて任意選択される。
【００４６】
図１０は、本発明の実施形態によるＸ線管１０４のカソード端からの改良ＰＳＳＤ１００の左部分図である。この図は、保持具Ａ１０８及び保持具Ｂの両方を支持するのに使用される例示的な支持手段４０２を示している。図７で説明したように、図１０に示す機械的手段が、改良ＰＳＳＤの製造方法に応じて任意選択される。
【００４７】
応力解析を実行するソフトウェア
例示的な実施形態において、コンピュータ１２４のメモリー部分にインストールされたソフトウェアは、電荷結合素子１２２からのデータに基づく応力計算のために実行される。本発明の実施形態による簡略化されたソフトウェアのアルゴリズムを図１１に示す。ステップ１１０２で、電荷結合素子の各ピクセルによって検出された光の輝度が、電子化されてコンピュータ１２４によって受け取られる。次に、電子化された各ピクセルの光輝度は、曲線に適合される（ステップ１１０４）。各曲線の頂点が決定される（ステップ１１０６）。各電荷結合素子に対して、全ての決定された頂点が連結される（ステップ１１０８）。例示的な実施形態において、連結された頂点は、試料表面から回折された、及び光ファイバ束１１０、１１４によりそれぞれ遮られたリングセグメントの近似である。次に各セグメントに対して、連結された頂点は、リングを規定するように適合される（ステップ１１１０）。例示的な実施形態において、リングの規定には、当技術分野で既知の幾何方程式が使用される。ステップ１１１０で規定された各リングの半径が計算される（ステップ１１１２）。各リングの半径の差が計算される（ステップ１１１４）。このリングの半径の差は、前述の応力解析の節で説明された一連の方程式を解くことにより、試料表面の応力計算に使用される（ステップ１１１６）。
【００４８】
前述の実施例は、特定の例示的な実施形態を示しており、別の実施形態、変形形態、及び変更形態が可能であることは、当業者には明らかであろう。従って、上記の特定の実施形態に限定されるものではなく、請求項によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施形態による例示的な現位置の残留応力測定デバイスを示す図である。
【図２】
本発明の実施形態による例示的な分割式光ファイバー束の部分前面図である。
【図３】
本発明の実施形態による別の例示的な光ファイバー束の部分前面図である。
【図４】
本発明の実施形態による例示的な現位置の残留応力測定デバイスの左部分図である。
【図５】
本発明の実施形態による例示的な現位置の残留応力測定デバイスの右部分図である。
【図６】
本発明の実施形態による例示的な現位置の残留応力測定デバイスの右部分図である。
【図７】
本発明の実施形態による例示的な現位置の残留応力測定デバイスの別の右部分図である。
【図８】
本発明の実施形態による例示的な現位置の残留応力測定デバイスの部分平面図である。
【図９】
本発明の実施形態によるＸ線管のアノード端からの例示的な現位置の残留応力測定デバイスの左部分図である。
【図１０】
本発明の実施形態によるＸ線管のカソード端からの例示的な現位置の残留応力測定デバイスの別の左部分図である。
【図１１】
本発明の実施形態による応力解析を実行する例示的なプロセスを示すフローチャートである。

Claims

残留表面応力の現位置測定装置であって、
小型Ｘ線管と、
前記小型Ｘ線管に結合された管スリーブと、
前記管スリーブに結合された第１の光ファイバ束と、
前記管スリーブに結合された第２の光ファイバ束と
前記第１の光ファイバ束と、第２の光ファイバ束とにそれぞれ結合された各電荷結合素子と、
を備え、
前記Ｘ線管により放射されたＸ線が、試料表面から回折され、前記第１の光ファイバ束と、第２の光ファイバ束とによって遮られ、
前記遮られたＸ線が、光に変換されて、前記第１の光ファイバ束及び第２の光ファイバ束によって、前記電荷結合素子に送られ、
前記受け取った光の輝度が、検出され及び電子化されて、第１のリング及び第２のリングを生成し、
前記試料表面の残留応力が、前記第１のリングと前記第２のリングとの半径差に基づいて計算されることを特徴とする、残留表面応力の現位置測定装置
前記小型Ｘ線管が、直径が１インチよりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記小型Ｘ線管が、少なくとも２０ｋＶのＸ線を発生することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記小型Ｘ線管が、１００Ｗよりも小さい消費電力を必要とすることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記管スリーブが、前記小型Ｘ線管のアノード側に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記Ｘ線を光に変換するために、前記第１の光ファイバ束及び前記第２の光ファイバ束の前部に取り付けられたシンチレータを更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記シンチレータが、希土類シンチレータであることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
前記シンチレータが、カドミウム亜鉛シンチレータであることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
前記第１の光ファイバ束及び前記第２の光ファイバ束が、約１０ミクロン以下の寸法の各ファイバーを有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記第１の光ファイバ束及び前記第２の光ファイバ束の断面が、方形であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記第１の光ファイバ束が、２つの束に分割されて前記小型Ｘ線管に沿って通っており、前記電荷結合素子に結合される前に再接合されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記第１の光ファイバ束が、前記小型Ｘ線管に近接して取り付けられるように敷設されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記第１の光ファイバ束と前記第１の電荷結合素子との間に映像増倍管を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記映像増倍管が、前記第１の光ファイバ束から受け取った光を増幅することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
前記第２の光ファイバ束と前記電荷結合素子との間に映像増倍管を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記映像増倍管が、前記第２の光ファイバ束から受け取った光を増幅することを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
前記電荷結合素子の各々が、複数のピクセルを含み、該ピクセルが、該ピクセル表面に当たる光子を検出することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記残留応力が、前記電荷結合素子からのデジタル化されたデータを受け取るために取り付けられたコンピュータによって計算されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記Ｘ線管から前記試料表面へＸ線を平行光線束にする、前記管スリーブに取り付けられたコリメータを更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記第１の光ファイバ束及び前記第２の光ファイバ束が、機械的手段により前記管スリーブに結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記第１の光ファイバ束及び前記第２の光ファイバ束が、接着手段により前記管スリーブに結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
残留表面応力の現位置測定のための方法であって、
試料表面から回折されたＸ線の第１のセグメントを遮る段階と、
前記試料表面から回折された前記Ｘ線の第２のセグメントを遮る段階と、
前記セグメントを光に変換する段階と、
電荷結合素子を通して、前記第１のセグメントから前記光の輝度を検出する段階と、
電荷結合素子を通して、前記第２のセグメントから前記光の輝度を検出する段階と、
前記電荷結合素子によって検出された輝度に基づいて第１のリングを規定する段階と、
前記電荷結合素子によって検出された輝度に基づいて第２のリングを規定する段階と、
同心にある前記各リングの第１の半径及び第２の半径を計算する段階と、
前記第１の半径と第２の半径との差を計算する段階と、
前記差に基づき前記試料表面の残留応力を計算する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
前記セグメントを光に変換する段階が、
第１のシンチレーション・コーティングによって前記第１のセグメントを光に変換する段階と、
第２のシンチレーション・コーティングによって前記第２のセグメントを光に変換する段階と、を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
映像増倍管を介して、前記第１のシンチレーション・コーティングで変換された前記光を増幅する段階と、
映像増倍管を介して、前記第２のシンチレーション・コーティングで変換された前記光を増幅する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
前記第１のリングを規定する段階が、
前記第１の電荷結合素子によって検出された前記輝度を１組の曲線に適合させる段階と、
前記１組の曲線における頂点を決定する段階と、
前記第１のリングを規定するために前記頂点を連結する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
前記第２のリングを規定する段階が、
前記第２の電荷結合素子によって検出された前記輝度を１組の曲線に適合させる段階と、
前記１組の曲線における頂点を決定する段階と、
前記第２のリングを規定するために前記頂点を連結する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。