JP2005241308A - Ｘ線回折装置及びｘ線回折システム - Google Patents

Abstract

【課題】 取扱いが容易で安価な構造であり持ち運びに便利で簡単に回折環の画像を撮像することができるＸ線回折装置及びＸ線回折システムを提供する。
【解決手段】 装着部９，１０をレール１に装着するとレール１上にＸ線回折装置５が設置されて、Ｘ線の入射角ψ₀が単一入射角度に設定される。レール１上の任意の測定箇所でＸ線回折装置５を停止させて、Ｘ線発生装置３が発生するＸ線をＸ線照射部６から頭頂面１ｄのＸ線照射点に照射する。その結果、レール１からの回折Ｘ線がイメージングプレート７ａに入射して回折環の全体画像がイメージングプレート７ａによって撮像され記録される。次に、イメージングプレート７ａをＸ線回折装置５から取り外して読取装置１１に装着すると、イメージングプレート７ａから回折環の画像情報が読み取られて、この回折環の画像情報を評価装置１２が解析してレール１の残留応力などを評価する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、測定対象物にＸ線を照射してこの測定対象物で回折した回折Ｘ線により発生する回折環の画像を撮像するためのＸ線回折装置及びＸ線回折システムに関する。

従来のＸ線応力測定装置は、レール腹部にＸ線を照射するＸ線照射部と、レール腹部からの回折Ｘ線を検出する検出部と、回折Ｘ線の回折角を測定するゴニオメータと、照射点に入射するＸ線の入射角が変化するようにこの照射点を中心としてＸ線照射部及び検出部を回転駆動させる駆動装置と、ゴニオメータ及び駆動装置を支持し車両に固定する架台と、検出部の検出結果に基づいてレールの残留応力を演算する演算装置などを備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来のＸ線応力測定装置では、任意の測定位置で車両を停止させてレール腹部の１箇所の照射点に入射角度を変化させながらＸ線を照射し、このレール腹部からの回折Ｘ線を検出してレール腹部の残留応力を演算している。

また、従来のＸ線応力測定方法は、測定対象物に対するＸ線の入射角を複数の角度に設定して回折線プロファイルを入射角毎に測定している（例えば、特許文献２参照）。このような従来のＸ線応力測定法では、測定対象物からの回折Ｘ線の強度を入射角毎に測定して、結晶数の少ない粗粒材や微小領域における応力をsin²ψ法によって測定している。

特開平6-058823号公報

特開平8-068702号公報

従来のＸ線応力測定装置では、回折角を高精度に測定可能なゴニオメータや機構が複雑な駆動装置などが必要であるため、装置が大型になり持ち運びに不便であるとともに、機構が複雑でコストが高くなってしまう問題点がある。また、従来のＸ線応力測定装置や従来のＸ線応力測定方法では、測定対象物に対するＸ線の入射角を複数の角度に設定してこの測定対象物に入射角毎にＸ線を照射する必要があるため、測定時間が長くなりＸ線管球の消耗が激しくなるという問題点がある。さらに、従来のＸ線応力測定装置や従来のＸ線応力測定方法では、照射点がずれないように入射角を正確に設定することが困難であるとともに、複数の入射角に設定してＸ線を照射するとＸ線の照射面積が変化するため、十分な測定精度を得られないという問題点がある。

この発明の課題は、取扱いが容易で安価な構造であり持ち運びに便利で簡単に回折環の画像を撮像することができるＸ線回折装置及びＸ線回折システムを提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、測定対象物（１）にＸ線を照射してこの測定対象物で回折した回折Ｘ線により発生する回折環の画像を撮像するためのＸ線回折装置であって、前記測定対象物に前記Ｘ線を照射するＸ線照射部（６）と、前記回折Ｘ線のエネルギーを蓄積し前記回折環の画像を撮像する撮像部（７）とを保持する保持部（８）を備え、前記保持部は、前記測定対象物に対する前記Ｘ線の入射角（ψ₀）が単一角度になるように、前記Ｘ線照射部と前記撮像部とを保持することを特徴とするＸ線回折装置（５）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載のＸ線回折装置において、前記測定対象物に前記保持部を着脱自在に装着する装着部（９，１０）を備えることを特徴とするＸ線回折装置である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のＸ線回折装置において、前記保持部は、前記測定対象物に沿って移動可能であることを特徴とするＸ線回折装置である。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のＸ線回折装置において、前記測定対象物は、鉄道用レールであることを特徴とするＸ線回折装置である。

請求項５の発明は、測定対象物（１）にＸ線を照射してこの測定対象物で回折した回折Ｘ線により発生する回折環の画像を撮像するためのＸ線回折システムであって、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＸ線回折装置（５）と、前記撮像部（７）が撮像した前記回折環の画像に基づいて前記測定対象物の状態を評価する評価装置（１２）とを備えるＸ線回折システム（２）である。

請求項６の発明は、請求項５に記載のＸ線回折システムにおいて、前記評価装置は、前記測定対象物の応力を評価することを特徴とするＸ線回折システムである。

この発明によると、取扱いが容易で安価な構造であり持ち運びに便利で簡単に回折環の画像を撮像することができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置の正面図である。図２は、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置の右側面図である。
図１及び図２に示すレール１は、鉄道車両の車輪を支持し案内してこの鉄道車両を走行させる部材である。レール１は、図２に示すように、鉄道車両の車輪と接触するレール頭部１ａと、図示しないまくらぎなどの支持体に取り付けられるレール底部１ｂと、レール頭部１ａとレール底部１ｂとを繋ぐレール腹部１ｃとから構成されている。図２に示すように、レール頭部１ａの上面には頭頂面１ｄが形成されており、レール頭部１ａの両側面には頭部側面１ｅ，１ｆが形成されている。

図１に示すＸ線回折システム２は、レール１にＸ線を照射してこのレール１で回折した回折Ｘ線により発生する回折環の画像を撮像するためのシステムである。Ｘ線回折システム２は、レール１からの回折Ｘ線により発生する回折環の画像を撮像して解析しレール１の応力などを測定する。Ｘ線回折システム２は、図１に示すように、Ｘ線発生装置３と、冷却装置４と、Ｘ線回折装置５と、読取装置１１と、評価装置１２と、記憶装置１３と、表示装置１４と、印刷装置１５などを備えている。

Ｘ線発生装置３は、電子ビームをターゲットに衝突させてＸ線を発生させる装置であり、電子線を高電圧で加速して陽極に衝突させCr-Kα特性Ｘ線を発生させるためのＸ線管球（真空管）などを備えている。冷却装置４は、Ｘ線回折装置５を冷却する装置であり、Ｘ線回折装置５との間で冷却水を循環させる管路に冷却水を送出する。

Ｘ線回折装置５は、レール１にＸ線を照射してこのレール１で回折した回折Ｘ線により発生する回折環の画像を撮像するための装置である。Ｘ線回折装置５は、図１及び図２に示すように、Ｘ線照射部６と、撮像部７と、保持部８と、装着部９，１０などを備えている。Ｘ線回折装置５は、Ｘ線発生装置３と電気的に接続され連結されており、レール１に沿って移動可能な測定用台車を構成する。

Ｘ線照射部６は、レール１にＸ線を照射する部分であり、Ｘ線照射管６ａと、管押さえ部６ｂと、管押さえねじ部６ｃと、基部６ｄ，６ｅと、連結部６ｆなどを備えている。Ｘ線照射管６ａは、Ｘ線発生装置３が発生したＸ線を直径3mm程度の細い平行ビームに絞り照射するピンホールコリメータである。管押さえ部６ｂは、Ｘ線照射管６ａの先端部を支持する部材であり、管押さえ部６ｂの先端部にはＸ線照射管６ａの先端部が嵌め込まれている。管押さえねじ部６ｃは、管押さえ部６ｂとの間でプレート保持部７ｂを挟み込み支持する部材であり、Ｘ線照射管６ａを貫通させた状態で管押さえ部６ｂの先端部にねじ込まれ固定されている。基部６ｄは、管押さえ部６ｂを固定するための板状部材であり、基部６ｅはＸ線照射管６ａ及び基部６ｄを固定するための部材であり、連結部６ｆは基部６ｄを保持部８に連結し固定する部材である。

撮像部７は、回折Ｘ線のエネルギーを蓄積して回折環の画像を撮像する部分である。撮像部７は、イメージングプレート(Imaging Plate(IP))７ａと、プレート保持部７ｂと、プレートカバー部７ｃなどを備えており、これらの部分によってIPカメラを構成する。イメージングプレート７ａは、Ｘ線エネルギーを一旦蓄積した後に光による励起によって蛍光を発生する光輝尽性発光現象を利用して回折環の全体画像を撮像する記録媒体である。ここで、光輝尽性発光(Photo-Stimulated Luminescence(PSL))とは、蛍光体に放射線などの第１の刺激を与えた後に、第２の刺激を励起光としてこの蛍光体に照射すると、第２の光よりも波長が短く、かつ、最初の刺激に対応した第３の光を発生する発光現象である。イメージングプレート７ａは、例えば、BaFBr:Eu2+などの輝尽性蛍光体の微結晶をプラスチックフィルムの表面に塗布して形成された柔軟性のある放射線画像センサの一種であり、Ｘ線が入射すると輝尽性蛍光体中にこのＸ線エネルギーを蓄積する。プレート保持部７ｂは、イメージングプレート７ａの裏面を保持する板状部材であり、基部６ｄの表面に取り付けられ固定されている。プレート保持部７ｂの中心部には、Ｘ線照射管６ａが貫通する貫通孔が形成されている。プレートカバー部７ｃは、イメージングプレート７ａの表面を部分的に被覆する板状部材であり、プレート保持部７ｂとの間でイメージングプレート７ａを挟み込んだ状態でこのプレート保持部７ｂに着脱自在に取り付けられている。プレートカバー部７ｃの中心部には、イメージングプレート７ａを部分的に露出させるための図示しない円形の開口部が形成されている。

保持部８は、レール１に対するＸ線の入射角ψ₀が単一角度になるように、Ｘ線照射部６と撮像部７とを保持する架台部分であり、レール１に沿って移動可能である。ここで、入射角ψ₀は、頭頂面１ｄに対して垂直な法線Ｏを立てたときにこの法線Ｏに対する角度であり、一般的には測定精度上最も適した角度である45°に設定されている。しかし、この実施形態では、入射角ψ₀を45°に設定するとＸ線の吸収の影響から回折環上で変化が大きくなり、一部の回折が弱くなるため、入射角ψ₀を30°〜45°の範囲に固定することが好ましく、入射角ψ₀を30°に固定することが特に好ましい。保持部８は、図１及び図２に示すように、フレーム部８ａ，８ｂとスペーサ部８ｃ，８ｄなどを備えている。図１及び図２に示すフレーム部８ａ，８ｂは、基部６ｄ，６ｅを固定し支持する部分である。フレーム部８ａ，８ｂは、いずれも同一構造であり、図１に示すように外観形状が略Ｌ字状の板状部材である。フレーム部８ａ，８ｂは、図２に示すように、互いに対向して配置されており、これらを所定の間隔をあけて連結する複数の軸状の連結部８ｅを備えている。図１に示すスペーサ部８ｃ，８ｄは、フレーム部８ａの上部とフレーム部８ｂの上部とを連結し、これらの間隔が一定となるように挟み込まれる板状部材である。

装着部９，１０は、レール１に保持部８を着脱自在に装着する部分であり、装着部９は保持部８の一方の端部に固定されており、装着部１０は保持部８の他方の端部に固定されている。装着部９，１０は、図１及び図２に示すように、いずれも同一構造であり、以下では装着部９について説明し、装着部１０側の部材であり装着部９側の部材と同一の機能を有する部分については、対応する符号を付して詳細な説明を省略する。装着部９は、図２に示すように、回転体９ａ〜９ｄと、軸受部９ｅ〜９ｇと、基部９ｈなどを備えている。回転体９ａ〜９ｄは、保持部８をレール１の長さ方向に移動自在にガイドする部材であり、図２に示すように回転体９ａ，９ｂは頭頂面１ｄと転がり接触し、回転体９ｃ，９ｄは頭部側面１ｅ，１ｆと転がり接触する。軸受部９ｅ〜９ｇは、回転体９ａ，９ｂを回転自在に支持する部材である。基部９ｈは、軸受部９ｅ〜９ｇを固定し支持するとともに回転体９ｃ，９ｄを回転自在に支持する部材であり、図２に示すように一対のフレーム部８ａ，８ｂの間に挟み込まれ固定されている。基部９ｈは、レール頭部１ａを覆うように断面形状が凹状に形成されており、基部９ｈの両側下端部には回転体９ｃ，９ｄが回転自在に支持されている。

図１に示す読取装置１１は、イメージングプレート７ａに撮像された回折環画像を読み取る装置(IPリーダ)である。読取装置１１は、He-Neレーザなどの励起光をイメージングプレート７ａ上に走査して照射し、このイメージングプレート７ａ内のＸ線エネルギーの蓄積部分から発生する蛍光を光電子倍増管によって増幅し、Ｘ線の強度を測定して回折環画像を読み出す。読取装置１１は、回折環画像を読み取った後のイメージングプレート７ａに可視光を均一に照射してＸ線像を消去し、イメージングプレート７ａを繰り返し使用可能な状態にする。読取装置１１は、イメージングプレート７ａから読み取った回折環の画像情報を評価装置１２に出力する。

評価装置１２は、撮像部７が撮像した回折環画像に基づいてレール１の状態を評価する装置である。評価装置１２は、画像解析プログラムに基づいて読取装置１１が出力する回折環の画像情報を解析し、レール１の応力、結晶状態、損傷状態、ミクロひずみ、集合組織、結晶粒度、相変態、組織の体積率などを評価する。評価装置１２は、例えば、ブラッグ(Bragg)の回折条件式と弾性学の理論に基づいたcosα法とを使用して、レール１のＸ線照射点の応力を演算する。記憶装置１３は、評価装置１２の評価結果を記憶する装置（メモリ）であり、表示装置１４は評価装置１２の評価結果を画面上に表示する装置であり、印刷装置１５は評価装置１２の評価結果を印刷し出力する装置である。

次に、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムの使用方法を説明する。図１及び図２に示すように、Ｘ線回折装置５を測定現場に搬送し装着部９，１０をレール１に装着すると、レール１上にＸ線回折装置５が設置されてＸ線の入射角ψ₀が所定の傾斜角度（例えば30°）に設定される。この状態で回転体９ａ〜９ｄによってレール頭部１ａが挟み込まれているため、レール１の長さ方向にＸ線回折装置５を移動させると、回転体９ａ〜９ｄがレール頭部１ａと回転接触しながら転がり、レール１の長さ方向に装着部９，１０が保持部８をガイドし案内する。次に、任意の測定箇所でＸ線回折装置５を停止させて、Ｘ線発生装置３が発生するＸ線をＸ線照射部６から頭頂面１ｄのＸ線照射点に照射時間５分程度で照射する。その結果、レール１からの回折Ｘ線がイメージングプレート７ａに入射して回折環の全体画像がイメージングプレート７ａによって撮像され記録される。次に、イメージングプレート７ａをＸ線回折装置５から取り外して読取装置１１に装着すると、イメージングプレート７ａから回折環の画像情報を読取装置１１が読取時間数分程度で読み取って評価装置１２に出力し、この回折環の画像情報を評価装置１２が解析してレール１の残留応力などを評価する。

次に、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムによる応力測定方法を説明する。図３は、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムによる応力測定方法を説明するための図である。以下では、cosα法によって鉄道用レールの応力を測定する場合を例に挙げて説明する。図３に示す回折環半径Ｒ_αは、回折角２θ_α及び距離Ｌを用いて以下の数１によって求められる。ここで、距離Ｌは、イメージングプレートIPと試料Ｓとの間の距離であり、添え字αは回折環のα角方向と対応することを示す。

ブラッグの条件式よりひずみε_α、格子面間隔ｄ及び回折角２θ_αには、以下の数２に示す関係がある。

数２に示すΔｄは、格子面間隔ｄの変化量であり、２θ₀は無ひずみのときの２θ値である。ひずみε_αは、数１及び数２によって回折環半径Ｒ_αから求められ、試料座標系(Ｓ_i系)のひずみと以下に示す数３の関係がある。

数３に示すｎ_ijは、Ｓ_i系から実験座標系(L_i)への変換マトリックスであり、ひずみε_αはＬ₃軸方向の縦ひずみである。ｎ_ijは、必要な成分のみについて示すと以下の数４によって表される。

数４に示すψ₀は、Ｘ線の入射ビームとＳ₃軸とのなす角であり、φ₀は入射ビームのＳ₁Ｓ₂面への投影とＳ₁軸とのなす角を表す。材料を等方弾性体とすると、応力とひずみとの関係(Ｓ_i系)は以下の数５によって表される。

数５に示すδ_ijは、クロネッカーのデルタである。Ｓ₁，Ｓ₂は、回折弾性定数を表し、ヤング率Ｅとポアソン比νとにより以下の数６によって表される。

ここで、ヤング率Ｅ及びポアソン比νは、いずれも回折用の値を用いる必要がある。次に、中心角がα，π＋α，−α，π−αとなるような４個のひずみをε_α，ε_π+α，ε_-α，ε_π-αと表し、以下に示す数７からａ₁を演算する。

数３〜数７を用いてａ₁を応力成分で表示すると、ａ₁はφ₀＝０のとき数８によって表される。

数８に示すａ₁をcosαで偏微分すると以下の数９によって表される。

右辺のｓ₂，ψ₀は、既知数として扱えるのでａ₁−cosα線図の傾きから応力σ^s ₁₁が決定される。なお、ηは応力に依存するがsin2η値への影響は僅かであるため、２ηを無応力のときの値η₀(＝π−２θ₀)で置き換えても実用上支障はない。

次に、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムによる回折環の画像情報の解析方法を説明する。
図４は、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置によって測定された回折環の一例を示す図である。図５は、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置によって測定された回折環画像の構造を示す図である。図６は、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムによる回折環画像と回折Ｘ線の強度分布との解析方法を示す図である。図７は、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムによる回折環画像の半径方向プロファイルの一例を示すグラフである。図８は、この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムによる回折環半径と回折環中心角との関係を一例として示すグラフである。

ここで、図７に示す縦軸は、回折Ｘ線の強度であり、横軸は回折環中心点からの距離である。図８に示す縦軸は、回折環半径Ｒ(mm)であり、横軸は回折環中心角α(deg)である。図４及び図５に示すイメージングプレート７ａ上の回折環画像は、例えば、一辺が100μmの正方形画素からなり、このような画素が縦に2560個、横に2048個並んでいる。各画素の階調は16bitであり、回折環の半径方向の回折Ｘ線の強度分布を回折環中心角１°間隔に合計360個画像解析して測定する。このとき、図６に示すように、回折環中心点から100μm間隔の点を中心とする一辺200μmの正方形領域に含まれる全画素の回折強度をそれぞれの面積の重みとして平均を演算し、図７に示すように回折Ｘ線の強度分布を演算する。図７では、理解の容易のため６個の波形を示しているが、実際には図６に示す回折環中心角１°毎に回折環中心点からの距離と回折Ｘ線の強度とが演算され、回折環中心角１°〜360°の範囲で１°毎に合計360個の波形が生成される。

次に、図７に示す回折Ｘ線の強度分布から半値幅中点法で回折ピーク位置を演算し、図８に示すように回折環中心点から回折ピーク位置までの距離を回折環半径Ｒとし、回折環中心角αとの関係を解析する。ここで、回折環中心点は、例えば、上記と同様の解析方法によって鉄粉末の211回折環を利用して鉄粉末の回折環半径を演算し、この回折環にマクロ応力が存在せず真円であることに基づいて回折環の直径の中心点から推定し決定することができる。例えば、中心角が１°毎の180個の直径について計算し、収束計算を通して0.01μm以下の精度で決定することができる。図８に示すように、回折環中心角180°で回折環半径Ｒが大きくなっていることから回折環が真円ではなく若干ひずみ楕円に近い形状であり、内部に応力が発生していることが分かる。

この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムには、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、レール１に対するＸ線の入射角ψ₀が単一角度になるように、Ｘ線照射部６と撮像部７とを保持部８が保持する。その結果、単一Ｘ線入射による一個の回折環の全体画像によって応力を測定するcosα法を使用することによって、従来のＸ線応力測定装置などで使用されるsin²ψに匹敵する応力測定精度を得ることができる。また、精密な角度測定機構や入射角設定機構などを有するディフラクトメータやゴニオメータなどが不要になるため、装置の構造が簡単で安価に製造可能になるとともに、軽量で持ち運びが容易になって屋外や現場で簡単に測定することができる。さらに、従来のＸ線応力測定装置などのような入射角ψ₀の変動によるＸ線照射点のずれやＸ線照射点の照射面積の変化が発生しないため、測定精度を向上させることができる。

(2) この第１実施形態では、イメージングプレート７ａが回折Ｘ線のエネルギーを蓄積し回折環の画像を撮像する。その結果、従来のＸ線応力測定装置などのように回折環の一部の情報を利用して応力を測定する場合に比べて、回折環の全周の情報を使用して応力を決定することができるため、測定精度を向上させることができる。また、イメージングプレート７ａによって回折環の全体画像をディジタル量として定量的に測定することができる。このため、従来の写真フィルムのような現像処理などが不要になり短時間で画像を読み取り、コンピュータにより容易に処理することができるとともに、回折環画像を簡単に消去して初期状態に戻し繰り返し使用することができる。さらに、Ｘ線測定効率が向上し測定時間の短縮化を図ることができるため、Ｘ線管球の消耗を抑えることができる。

(3) この第１実施形態では、レール１に保持部８を装着部９，１０が着脱自在に装着する。このため、敷設されている実際のレール１に簡単に取り付けて応力などを測定することができる。

次に、この発明の実施例について説明する。
（cosα法によるＸ線応力測定精度の検証実験）
先ず、イメージングプレート及びcosα法を併用したＸ線応力測定の検証を行った。Ｘ線応力測定理論などの検証を目的として、Ｘ線発生装置には回転対陰極型のものを使用し、イメージングプレートには127mm×127mmのシート状のものを使用した。試験片には、炭素量約0.5％の炭素鋼(JIS-S50C)を幅10mm、厚さ5mm、長さ60mmに加工して使用した。

図９は、この発明の実施例に係るＸ線回折システムによる応力測定結果を示し、図９（Ａ）は回折環画像の一例を示す図であり、図９（Ｂ）は回折プロファイルの解析例を示すグラフであり、図９（Ｃ）はcosα法によって演算した測定応力値を負荷応力値と比較して示すグラフである。
ここで、図９（Ｂ）に示す縦軸は、回折Ｘ線の強度(a.u.)(arbitrary unit(任意単位))であり、横軸は回折環中心点からの距離(1/10mm)である。図９（Ｃ）に示す縦軸は、cosα法によって演算した測定応力値(MPa)であり、横軸は負荷応力値(MPa)である。20.6MPa、113.3MPa及び206.0MPaの負荷を試験片に加えてイメージングプレート及びcosα法によるＸ線応力測定を行った。その結果、図９（Ｃ）に示すように、各負荷レベルで３回測定したデータのばらつきは従来のＸ線応力測定方法に比べて小さく、負荷応力に対して略一対一に対応した応力が測定可能であることが確認された。その結果、イメージングプレートを使用したcosα法によるＸ線応力測定は精度が十分であり、イメージングプレートによる回折環の全体画像の解析精度も十分であることが確認された。

（実際のレールによるＸ線応力測定実験）
次に、図１及び図２に示すＸ線回折システム２を使用して、財団法人鉄道総合技術研究所内の試験線において長さ3000mmの使用済みレール１の頭頂面１ｄにＸ線を照射した。そして、レール１のフェライト結晶粒から発生する211回折の回折環画像をイメージングプレート７ａ上に撮像して、この回折環画像を記録し残留応力を解析した。

図１０は、この発明の実施例に係るＸ線回折システムによる測定結果を一例として示す図であり、図１０（Ａ）は使用済みレールの頭頂面の回折環画像の測定結果を示す図であり、図１０（Ｂ）は回折環の半径方向の回折Ｘ線の強度分布を示すグラフであり、図１０（Ｃ）は回折環半径Ｒと回折環中心角αとの関係を示すグラフである。
図１０は、α211回折環画像の一例を示したものであり、外側の回折環がレールからのものであり、内側の回折環が鉄粉末のα211回折によるものである。次に、図１に示す読取装置１１によってイメージングプレート７ａから回折環の全体画像を読み取り、評価装置１２の画像解析プログラムによってこの回折環の全体画像から回折環の半径方向における回折Ｘ線の強度分布を解析した。図１０（Ｂ）に示す縦軸は、回折Ｘ線の強度(a.u.)であり、横軸は回折環中心点からの距離(1/10mm)である。図１０（Ｂ）に示す２個のピークのうち右側がレール１であり左側が鉄粉末であり、それぞれαFe211ピークである。次に、図１０（Ｂ）に示す回折環の半径方向のプロファイルに対して評価装置１２の画像解析プログラムによってピーク位置を決定し、回折環のそれぞれの方向についてピーク位置半径を演算した。図１０（Ｃ）に示す縦軸は、回折環半径(1/10mm)であり、横軸は回折環中心角(deg)である。図１０（Ｃ）に示すように、回折環の中心角に対してピーク位置半径を演算したところ、ばらつきはあるがやや上側に凸の分布を示しており、頭頂面１ｄの測定位置に僅かながら引張り残留応力が存在することが推定された。

図１１は、この発明の実施例に係るＸ線回折システムによるａ₁-cosα線図の一例を示すグラフである。
図１１に示す縦軸はａ₁であり、横軸はcosαである。評価装置１２の画像解析プログラムによって、残留応力を計算するためのａ₁-cosα線図を演算した。図１１に示すように、回帰直線は右下がりの傾向を示し、この回帰直線から使用済みレール１の頭頂面１ｄに引張り応力の存在が確認された。

図１２は、この発明の実施例に係るＸ線回折システムによる残留応力の測定結果を一例として示すグラフである。
図１２に示す縦軸は残留応力(MPa)であり、横軸はレール１上の位置である。図１に示すＸ線回折システム２によってレール１の長手方向における頭頂面１ｄの３点の残留応力を測定したところ、いずれの箇所でも20〜120MPaの範囲の引張り応力が測定された。

以上の結果より、Ｘ線回折システム２によって実際に屋外に敷設されたレール１の評価が十分に有効であることが確認された。また、レールの各部を定期的に測定して経年変化をデータベース化し、測定位置及び測定時間毎のレール面の残留応力及びＸ線回折データを蓄積してモニタすることで、系統的にレール１の損傷状態を把握し管理することが期待できる。さらに、レール１の劣化状況や余寿命の評価が正確に把握され、健全性の確認、損傷箇所の特定、削正時期の正確な決定などの精度が向上し、効率的で正確なレールメンテナンスを実現することができるとともに、必要な箇所のみを補修交換することでメンテナンスコストの低減と安全性の向上を図ることが期待できる。

（第２実施形態）
図１３は、この発明の第２実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置の正面図である。以下では、図１及び図２に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図１３に示す撮像部７は、Ｘ線ＣＣＤ７ｄを備えている。Ｘ線ＣＣＤ７ｄは、Ｘ線エネルギーを電気信号に変換して出力する電荷結合素子(Charge Coupled Device)であり、回折Ｘ線により発生する回折環の全体画像を撮像する媒体である。Ｘ線ＣＣＤ７ｄは、撮像した回折環の画像情報を評価装置１２に出力する。この発明の第２実施形態では、第１実施形態の効果に加えて、Ｘ線ＣＣＤ７ｄによって回折環の全体画像を短時間に撮像することができとともに、図１及び図２に示すイメージングプレート７ａに比べて小型の撮像部７を頭頂面１ｄから近距離に設置することができる。その結果、Ｘ線回折装置５をコンパクトにすることができるとともに、Ｘ線ＣＣＤ７ｄと頭頂面１ｄとの間の距離が近くなるためＸ線の照射時間を短くすることができ、Ｘ線管球の消耗をより一層抑えることができる。また、この第２実施形態では、第１実施形態のようなイメージングプレート７ａを読取装置１１によって読み取る作業が必要なく、回折環の画像情報を撮像部７から評価装置１２に直接送信することができるため、解析時間の大幅な短縮化を図ることができる。

（第３実施形態）
図１４は、この発明の第３実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置の正面図である。
図１４に示すＸ線回折システム２は、レール１の頭頂面１ｄに沿って保持部８が移動可能なように車両１６に搭載されており、図１及び図２に示すＸ線回折装置５と同様に撮像部７がイメージングプレート７ａを備えている。車両１６は、電車や気動車などの鉄道車両であり、例えば軌道に沿って走行しながら軌道の状態を検測する軌道検測車などである。この第３実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態の効果に加えて走行中の測定が可能になるため、レール１の状態を運転しながら測定してデータを蓄積し、経年変化などをモニタすることができる。また、Ｘ線回折装置５が移動しながら回折環の全体画像を撮像するため、測定点毎の測定データの平均値を演算し評価したり、粗大結晶部や微小部を測定したりすることができる。

（第４実施形態）
図１５は、この発明の第４実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置の正面図である。
図１５に示すＸ線回折システム２は、レール１の頭頂面１ｄに沿って保持部８が移動可能なように車両１６に搭載されており、図１３に示すＸ線回折装置５と同様に撮像部７がＸ線ＣＣＤ７ｄを備えている。この第３実施形態では、第２実施形態に比べてＸ線回折装置５をコンパクトにすることができる。

（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、測定対象物としてレール１を例に挙げて説明したが、鉄橋、隅肉溶接部、歯車の底部などについてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、測定対象物として結晶構造を有する金属を例に挙げて説明したが、結晶構造を有するセラミックスやプラスチックなどについてもこの発明を適用することできる。さらに、この実施形態では、頭頂面１ｄにＸ線を照射する場合を例に挙げて説明したが、頭部側面１ｅ，１ｆやレール腹部１ｃなどにＸ線を照射してこれらの状態を測定することもできる。

(2) この実施形態では、回折環の全体画像を使用して応力などを測定する場合を例に挙げて説明したが、回折環の画像の一部を使用して応力などを測定することもできる。また、この実施形態では、Ｘ線ＣＣＤ７ｄが撮像した回折環の画像情報をリアルタイムで評価装置１２に送信する場合を例に挙げて説明したが、測定点毎の測定データを記憶部（メモリ）に記憶し必要に応じて評価装置１２から読み出すこともできる。さらに、この実施形態では、測定対象物を固定しＸ線回折装置５を移動させながら測定する場合を例に挙げて説明したが、Ｘ線回折装置５を固定し測定対象物を移動させながら測定することもできる。

(3) この実施形態では、放射線としてＸ線を例に挙げて説明したが、中性子線などの他の放射線についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、回折Ｘ線の検出器としてイメージングプレート７ａやＸ線ＣＣＤ７ｄを例に挙げて説明したが、マルチワイヤ検出器やフラットパネルディテクタ(Flat Panel Detector(FPD))などによって回折Ｘ線を検出することもできる。さらに、この実施形態では、イメージングプレート７ａを一枚ずつ装着して使用しているが、複数枚のイメージングプレート７ａをカセット式の収容部内に収容して一枚ずつ使用することもできる。

(4) この実施形態では、頭頂面１ｄに対して単一の傾斜角度でＸ線を照射しているが、頭頂面１ｄに対して垂直にＸ線を照射することもできる。この場合には、レール１の応力の測定に変えてレール１の結晶状態を測定することができる。また、この実施形態では、標準試料として鉄粉末を利用して回折環の中心点を求めているが、回折環の画像のうちＸ線照射管６ａに相当する部分の画像の中心軸を回折環の中心点とすることもできる。

この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置の正面図である。 この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置の右側面図である。 この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムによる応力測定方法を説明するための図である。 この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置によって測定された回折環の一例を示す図である。 この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置によって測定された回折環画像の構造を示す図である。 この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムによる回折環画像と回折Ｘ線の強度分布との解析方法を示す図である。 この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムによる回折環画像の半径方向プロファイルの一例を示すグラフである。 この発明の第１実施形態に係るＸ線回折システムによる回折環半径と回折環中心角との関係を一例として示すグラフである。 図９は、この発明の実施例に係るＸ線回折システムによる応力測定結果を示し、（Ａ）は回折環画像の一例を示す図であり、（Ｂ）は回折プロファイルの解析例を示すグラフであり、（Ｃ）はcosα法によって演算した測定応力値を負荷応力値と比較して示すグラフである。 この発明の実施例に係るＸ線回折システムによる測定結果を一例として示す図であり、（Ａ）は使用済みレールの頭頂面の回折環画像の測定結果を示す図であり、（Ｂ）は回折環の半径方向の回折Ｘ線の強度分布を示すグラフであり、（Ｃ）は回折環半径Ｒと回折環中心角αとの関係を示すグラフである。 この発明の実施例に係るＸ線回折システムによるａ₁-cosα線図の一例を示すグラフである。 この発明の実施例に係るＸ線回折システムによる残留応力の測定結果を一例として示すグラフである。 この発明の第２実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置の正面図である。 この発明の第３実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置の正面図である。 この発明の第４実施形態に係るＸ線回折システムのＸ線回折装置の正面図である。

符号の説明

１ レール（測定対象物）
２ Ｘ線回折システム
３ Ｘ線発生装置
４ 冷却装置
５ Ｘ線回折装置
６ Ｘ線照射部
６ａ Ｘ線照射管
７ 撮像部
７ａ イメージングプレート
７ｄ Ｘ線ＣＣＤ
８ 保持部
９，１０ 装着部
１１ 読取装置
１２ 評価装置
１６ 車両
ψ₀ 入射角

Claims (6)

1. 測定対象物にＸ線を照射してこの測定対象物で回折した回折Ｘ線により発生する回折環の画像を撮像するためのＸ線回折装置であって、
   前記測定対象物に前記Ｘ線を照射するＸ線照射部と、前記回折Ｘ線のエネルギーを蓄積し前記回折環の画像を撮像する撮像部とを保持する保持部を備え、
   前記保持部は、前記測定対象物に対する前記Ｘ線の入射角が単一角度になるように、前記Ｘ線照射部と前記撮像部とを保持すること、
   を特徴とするＸ線回折装置。
2. 請求項１に記載のＸ線回折装置において、
   前記測定対象物に前記保持部を着脱自在に装着する装着部を備えること、
   を特徴とするＸ線回折装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のＸ線回折装置において、
   前記保持部は、前記測定対象物に沿って移動可能であること、
   を特徴とするＸ線回折装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のＸ線回折装置において、
   前記測定対象物は、鉄道用レールであること、
   を特徴とするＸ線回折装置。
5. 測定対象物にＸ線を照射してこの測定対象物で回折した回折Ｘ線により発生する回折環の画像を撮像するためのＸ線回折システムであって、
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＸ線回折装置と、
   前記撮像部が撮像した前記回折環の画像に基づいて前記測定対象物の状態を評価する評価装置と、
   を備えるＸ線回折システム。
6. 請求項５に記載のＸ線回折システムにおいて、
   前記評価装置は、前記測定対象物の応力を評価すること、
   を特徴とするＸ線回折システム。