JP2016109600A - Ｘ線回折測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の検査範囲が広範囲であっても、短時間で精度よくＸ線照射点ごとの回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値を測定することができるＸ線回折測定システムを提供する。【解決手段】Ｘ線回折測定装置２の筐体３０を列車１の底部に取り付け、測定対象物であるレールＲａに垂直に断面直径１０ｍｍ程度のＸ線が照射されるようにする。列車１の運行によりレールＲａ上のＸ線照射点を移動させながら、それぞれのＸ線照射点における回折Ｘ線の強度を、シンチレーションカウンター２１で検出する。シンチレーションカウンター２１は、Ｘ線の光軸上の点である回折環の中心からの距離をそれぞれ異ならせて円形に配置されており、コントローラ７１は、検出された複数の回折Ｘ線の強度を、半径方向の回折Ｘ線の強度分布と見なして特性値を計算する。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物にＸ線を照射しながらＸ線の照射点を移動させ、それぞれのＸ線照射点において測定対象物で回折したＸ線により形成されるＸ線回折像の、回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値を測定するＸ線回折測定システムに関する。

従来から、金属性物体の表面の硬さを非破壊で測定する方法としてＸ線回折を用いた方法がある。この方法は例えば特許文献１に示されているように、金属性物体の対象物にＸ線を照射して、対象物で発生した回折Ｘ線によりＸ線回折像を形成し、形成した像の回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値（半価幅、積分幅等）を求めて、予め得られている特性値と表面硬さとの関係を用いて表面硬さを求める方法である。この方法は高い精度で表面硬さを求めることができるが、この方法により表面積が大きい測定対象物で表面硬さの異常箇所を検出する検査を行おうとすると、Ｘ線の照射点を変えながら多くの箇所の表面硬さを測定しなければならず、膨大な検査時間がかかる。これは、表面硬さに限らず、回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値から求める値がどのような値であっても同じである。この問題に対応する方法として、以下の特許文献２には、測定対象物に対してＸ線回折測定装置を移動させながらＸ線を照射し、該移動と並行してイメージングプレートを回転させ、イメージングプレートへのＸ線回折像の撮像、撮像されたＸ線回折像の回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値（半価幅、積分幅等）の測定、撮像されたＸ線回折像の消去を連続して行うＸ線回折測定システムが示されている。このＸ線回折測定システムによれば、測定対象物に対してＸ線回折測定装置を移動させながら、回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値を連続して測定しているので、表面積が大きい測定対象物の異常箇所を短い時間で検出することができる。

特開２００７−２７１６００号公報 特開２０１４−２０６５０６号公報

しかしながら、特許文献２のＸ線回折測定システムは、精度よくＸ線照射点ごとの回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値を測定するには、測定対象物に対するＸ線回折測定装置の移動を低速度にする必要があり、既設の線路のレールなどのように測定対象物の検査範囲が広範囲である場合は、特許文献２のＸ線回折測定システムを用いても、短時間で測定対象物の全範囲を検査するのは困難であるという問題がある。

本発明はこの問題を解消するためなされたもので、その目的は、測定対象物にＸ線を照射しながらＸ線の照射点を移動させ、それぞれのＸ線照射点において測定対象物で回折したＸ線により形成されるＸ線回折像の、回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値を測定するＸ線回折測定システムにおいて、測定対象物の検査範囲が広範囲であっても、短時間で精度よくＸ線照射点ごとの回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値を測定することができるＸ線回折測定システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、対象とする測定対象物に向けてＸ線を出射するＸ線出射器と、Ｘ線出射器から出射されるＸ線を断面直径５ｍｍ以上の略平行光にする径調整手段と、 Ｘ線出射器から径調整手段を介して出射されるＸ線が測定対象物に照射されたとき、測定対象物にて発生する回折Ｘ線の強度を検出する複数のＸ線検出センサであって、Ｘ線出射器から出射されるＸ線の光軸上の点を中心にした所定の円の２つ以上の円周位置付近に、中心からの距離をそれぞれ異ならせて配置されているＸ線検出センサと、Ｘ線出射器と径調整手段とＸ線検出センサとを含む筐体と、筐体の測定対象物に対する位置と姿勢が、Ｘ線出射器から出射されるＸ線が測定対象物の表面に垂直に照射され、測定対象物の表面におけるＸ線の照射点とＸ線検出センサとの間の距離が設定された距離になるよう維持されたまま、筐体を測定対象物に対して移動させる移動手段と、複数のＸ線検出センサにおける中心からの距離がそれぞれ記憶され、Ｘ線検出センサの検出した回折Ｘ線の強度を中心からの距離に対応させて記憶し、中心からの距離に対する回折Ｘ線の強度の変化に基づいて特性値を計算する評価手段とを備えたＸ線回折測定システムとすることにある。

これによれば、Ｘ線検出センサに、短時間でＸ線強度を高精度に検出することができるＸ線入射面積の大きいＸ線検出センサを用いることで、測定対象物の検査範囲が広範囲であっても、短時間で精度よくＸ線照射点ごとの回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値を測定することができる。すなわち、測定対象物にＸ線を照射すればＸ線の光軸上の点を中心にした回折環が形成されるが、測定対象物にＸ線を垂直に照射すれば中心から半径方向の回折Ｘ線の強度分布は、回折環の円周位置（回転角度）によらず略一定である。このため、複数のＸ線検出センサをＸ線出射器から出射されるＸ線の光軸上の点を中心にした所定の円（回折環が形成される付近の円）の２つ以上の円周位置付近に中心からの距離をそれぞれ異ならせて配置し、回折Ｘ線の強度を検出しても、中心からの距離に対する回折Ｘ線の強度変化は、回折環の１つの円周位置における半径方向の回折Ｘ線の強度分布と略同じになる。また、出射するＸ線の断面径を大きくして測定対象物におけるＸ線の照射点を大きくすれば、半径方向の回折Ｘ線の強度分布でピークが発生する箇所（回折環の箇所）において、所定の強度以上となる範囲を大きくすることができる。よって、短時間でＸ線強度を高精度に検出することができるＸ線入射面積の大きいＸ線検出センサを用いても、回折環の半径方向の回折Ｘ線の強度分布を検出することができ、短時間で精度よくＸ線照射点ごとの回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値を測定することができる。

Ｘ線検出センサは、具体的には、入射したＸ線により発生する蛍光の強度を光電子増倍管で検出するものであるようにするとよい。このようなＸ線検出センサで一般的に使用されているものは、シンチレーションカウンターである。

また、本発明の他の特徴は、移動手段により筐体が移動した距離を検出する移動距離検出手段を備え、評価手段は、計算した特性値を移動距離検出手段が検出した移動距離と対応させることにある。これによれば、回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値が不合格だった測定対象物の箇所（異常箇所）を、筐体の移動距離から識別することができる。

また、本発明の他の特徴は、評価手段が計算した特性値と予め記憶されている許容値とを比較して合否判定を行う判定手段と、移動手段により筐体とともに移動し、判定手段が不合格判定をしたとき、測定対象物における不合格判定に対応する箇所又は不合格判定に対応する箇所の近傍にマークをつけるマーク手段とを備えたことにある。これによれば、回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値が不合格だった測定対象物の箇所（異常箇所）を、つけられたマークから識別することができる。

また、本発明は、測定対象物は既設の線路のレールであり、移動手段は、既設の線路のレール上を走行可能な列車であり、筐体は、列車の底面に、出射されるＸ線が既設の線路のレール上面に照射されるよう取り付けられているようにすると、最も効果的である。すなわち、既設の線路のレールは長期間が経過すると劣化して表面硬さが許容値より小さい異常箇所が発生するが、既設の線路のレールは検査範囲が非常に広い。しかし、本発明を用いれば、このような検査範囲が非常に広い場合でも、異常箇所を短時間で精度よく検出することができる。

本発明の一実施形態に係るＸ線回折測定装置を含むＸ線回折測定システムを示す全体概略図である。 図１のＸ線回折測定装置の筐体の底面壁を取外し、底面壁方向から見た図である。 図１のＸ線回折測定装置におけるＸ線が通過する部分を拡大して示す部分断面図である。 シンチレーションカウンターの半径方向位置と検出値の関係をグラフで示した図であり、（Ａ）は正常部分、（Ｂ）は異常部分である。 図１のＸ線回折測定システムのコントローラが検査の際、実行するプログラムのフロー図である。 図１のＸ線回折測定システムのコントローラが検査の際、実行するもう１つのプログラムのフロー図である。

本発明の一実施形態に係るＸ線回折測定装置を含むＸ線回折測定システムの構成について図１乃至図３を用いて説明する。このＸ線回折測定システムは、列車１、Ｘ線回折測定装置２、コンピュータ装置７０、運転制御装置６０およびマーキング装置４０から構成され、既設の線路のレールＲａの上面における異常箇所を検出する検査を行うものである。

列車１は既設の線路上を走行する状態にされており、列車１内の運転制御装置６０により運転が制御される。Ｘ線回折測定装置２は、Ｘ線を出射して回折Ｘ線の強度分布を検出するものであり、各種装置および回路を内蔵する筐体３０と高電圧電源５５から構成され、筐体３０は列車１の底面に、出射されるＸ線が線路のレールＲａの上面に照射されるよう取付けられる。高電圧電源５５はＸ線を出射するための電力を供給するものであり、列車１内に配置される。

コンピュータ装置７０は、Ｘ線回折測定装置２の制御とデジタルデータの入力と演算処理を行うものであり、列車１内に配置される。コンピュータ装置７０は運転制御装置６０が出力する運転開始、運転停止を意味する信号と移動距離を表すデジタル信号を入力するが、運転制御装置６０は列車１内に設置された既設の装置であり、Ｘ線回折測定装置２およびコンピュータ装置７０とは独立して列車１の運転を制御する。列車１は、Ｘ線回折測定装置２の筐体３０を線路のレールＲａの上面との位置関係が一定になるよう取り付けることができれば、通常の客車でも、Ｘ線回折測定装置２とコンピュータ装置７０のみを搭載する専用車でもよい。

マーキング装置４０は、コンピュータ装置７０から指令が入力したとき、レールＲａの上面にマーキングを行うものであり、列車１の進行方向に対してＸ線回折測定装置２の筐体３０の後方になるよう、列車１の底面に取り付けられる。なお、Ｘ線回折測定装置２、コンピュータ装置７０およびマーキング装置４０は、図１では１体のみが示されているが、図１のレールＲａの奥側にあるレールの検査用に同じものがもう１体あり、線路のレールＲａの検査は並んでいる２本が同時に行われる。

Ｘ線回折測定装置は、Ｘ線を出射するＸ線出射器１０、レールＲａのＸ線照射点で発生する回折Ｘ線の強度を検出する複数のシンチレーションカウンター２１、およびシンチレーションカウンター２１を円形に配置する円盤状プレート２０を筐体３０に収容している。また、筐体３０内には、Ｘ線出射器１０、シンチレーションカウンター２１に接続されて作動制御したり、検出信号を入力したりするための各種回路も内蔵されており、図１において筐体３０外に示された２点鎖線で示された各種回路は、筐体３０内の２点鎖線内に納められている。なお、図１においては、回路基板、電線、固定具、空冷ファンなどは省略されている。筐体３０は略直方体状に形成され、Ｘ線出射器１０から出射されるＸ線が、レールＲａの上面に垂直に入射するとともに、レールＲａの上面から複数のシンチレーションカウンター２１のＸ線入射面が含まれる平面（以下、回折環形成平面という）までの距離が設定された距離になるよう、取付具３１により列車１の底面に取り付けられている。また、筐体３０の底面壁３０ａにはＸ線出射器１０から出射されたＸ線を通過させ、レールＲａのＸ線照射点で発生する回折Ｘ線の内、回折環形成平面において回折環を形成するための回折Ｘ線を通過させるための円形孔３０ａ１が形成されている。

筐体３０の側面壁３０ｄは出射されるＸ線の光軸に対して略平行で、底面壁３０ａは出射されるＸ線の光軸に対して略垂直になっている。筐体３０を取付具３１により列車１に取り付けるとき、平行光を出射し反射光を受光するオートコリメータを、平行光が底面壁３０ａに垂直になるよう底面壁３０ａに取り付け、レールＲａで反射した反射光が、平行光の出射点と同じ位置で受光されるよう筐体３０の姿勢を調整することで、Ｘ線出射器１０から出射されるＸ線はレールＲａに垂直に照射されるようになる。また、レーザを用いた距離計測器を底面壁３０ａに取り付け、レールＲａの上面までの距離を測定し、測定した値が設定した値になるよう筐体３０の位置を調整することで、レールＲａの上面から回折環形成平面までの距離が設定された距離になる。

Ｘ線出射器１０は、長尺状に形成され、筐体３０内の上部にて図示左右方向に延設されて筐体３０に固定されており、高電圧電源５５からの高電圧の供給を受け、Ｘ線制御回路５２により制御されて、Ｘ線を出射する。

Ｘ線制御回路５２は、後述するコンピュータ装置７０を構成するコントローラ７１によって制御され、Ｘ線出射器１０から一定の強度のＸ線が出射されるように、Ｘ線出射器１０に高電圧電源５５から供給される駆動電流及び駆動電圧を制御する。また、Ｘ線出射器１０は、図示しない冷却装置を備えていて、Ｘ線制御回路５２は、この冷却装置に供給される駆動信号も制御する。これにより、Ｘ線出射器１０の温度が一定に保たれる。

円盤状プレート２０は中心位置に、Ｘ線出射器１０から出射されるＸ線を入射する円筒状パイプ２２を円盤状プレート２０の平面に対して垂直に取り付けている。また、複数のシンチレーションカウンター２１をＸ線入射面が円盤状プレート２０の平面に対して平行になるよう、すなわち、回折環形成平面が円盤状プレート２０の平面に対して平行になるよう、円形に取り付けている。図２は、筐体３０の底面壁３０ａを取り外し、底面壁３０ａ方向から見た図であるが、図２に示すように、複数のシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２は、３つのシンチレーションカウンターを円盤状プレート２０の半径方向に密着させて並べたものが、４箇所に配置されている。

Ｘ線出射器１０のＸ線出射口１１と円筒状パイプ２２付近の断面図を示したものが図３である。Ｘ線出射口１１から出射されるＸ線は拡散するＸ線であるが、円筒状パイプ２２の内部を経由して出射することで略平行のＸ線になる。すなわち、Ｘ線の光軸は円筒状パイプ２２の中心軸であり、円盤状プレート２０の中心点はＸ線の光軸上にある。また、Ｘ線の光軸は円盤状プレート２０の平面および回折環形成平面に対して垂直である。

円筒状パイプ２２の内径は、レールＲａの上面におけるＸ線の照射点の直径が約１０ｍｍになるような大きさである。すなわち、円筒状パイプ２２の内径およびＸ線の断面直径は、約１０ｍｍである。Ｘ線の照射点を大きくすることで、回折Ｘ線の強度分布でピークが発生する箇所（回折環の箇所）において、所定の強度以上になる範囲を広くすることができる。図２において、回折環形成平面に形成される回折環を示したものが、２点鎖線の円である。２点鎖線部分は円盤状プレート２０の半径方向に回折Ｘ線の強度分布曲線を描いたとき、ピークとなる位置であるが、上述したように、ピークの両側において回折Ｘ線が所定強度以上となる範囲は広範囲に存在する。図２からわかるように、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２の４つの群における中心位置の、２点鎖線からの距離はそれぞれ異なっている。すなわち、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２は円盤状プレート２０の中心（Ｘ線の光軸上の点であり、回折環の中心）からの距離をそれぞれ異ならせて配置されている。シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２は入射したＸ線により発生する蛍光の強度を、光電子増倍管により検出するもので、一般的に用いられているものであり、Ｘ線を入射する面はある程度の大きさがある。しかし、回折環の箇所で回折Ｘ線が所定の強度以上になる範囲を広くしているので、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２の多くは、回折Ｘ線が所定の強度以上になる範囲内に配置されている。

また、出射されたＸ線はレールＲａの上面に垂直に照射されるようにされているので、回折環の半径方向（円盤状プレート２０の半径方向）における回折Ｘ線の強度分布は、回折環の円周位置（回転角度）のよらず略一定になる。従って、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２の円盤状プレート２０の中心からの距離（半径値）と、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２が検出した回折Ｘ線の強度との関係は、回折環の１つの円周位置における半径方向の回折Ｘ線の強度分布と略同一になる。すなわち、該半径値と強度との関係は、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２を、回折環の１つの円周位置において半径方向に重ねて並べた場合と略同一の関係である。

それぞれのシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２は、レールＲａのＸ線の照射点から発生する回折Ｘ線を入射するが、回折環の半径方向における回折Ｘ線の強度分布を検出するため、入射口には回折環の円周と平行に（図２の２点鎖線と平行に）スリットが取り付けられており、スリットを通過したＸ線の強度を検出することができるようになっている。スリットの幅は狭いほど、それぞれのシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２がＸ線の強度を検出する範囲は狭くなり、より局所的な回折Ｘ線の強度を測定することができるが、検出されるＸ線の強度は小さくなる。逆に、スリットの幅は広いほど、それぞれのシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２がＸ線の強度を検出する範囲は広くなり、より平均的な回折Ｘ線の強度を測定することになるが、検出されるＸ線の強度は大きくなる。後述するように、レールＲａの正常箇所と異常箇所では回折Ｘ線の強度分布が異なるので、レールＲａの異常箇所の検出精度（すなわち検査精度）は、回折Ｘ線の強度分布の検出精度により決まる。よって、スリットの幅は、回折Ｘ線の強度分布の検出精度が最もよくなる幅を、実験により確かめて決めればよい。後述するように回折Ｘ線の強度分布の特性値として半価幅、積分幅があるが、回折Ｘ線の強度分布の検出精度は、半価幅、積分幅とレールＲａの表面硬さとの関係における相関係数で判断すればよい。

上述したように、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２は円盤状プレート２０の中心（Ｘ線の光軸上の点であり、回折環の中心）からの距離（半径値）をそれぞれ異ならせて配置されており、中心からの距離と検出したＸ線強度との関係は、回折環の１つの円周位置における半径方向の回折Ｘ線の強度分布である。図４は、横軸にシンチレーションカウンター２１の中心からの距離（半径値）をとり、縦軸に検出したＸ線強度をとったグラフを、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２の半径方向の配置位置と対応させて示した図である。（Ａ）はレールＲａの正常箇所であり、（Ｂ）は異常箇所である。レールＲａは長期間が経過すると、劣化のため表面硬さが小さくなるが、表面硬さが小さいほど回折Ｘ線の強度分布は広がる。そして、許容以上に回折Ｘ線の強度分布が広がった箇所が、許容以上に表面硬さが小さくなった箇所として異常箇所になる。後述するように回折Ｘ線の強度分布の広がり度合いを表す特性値として半価幅や積分幅を計算すれば、これらの特性値を許容値と比較することで合否を判定し、異常箇所を検出することができる。

ＳＤ信号取出回路５０−１〜５０−１２は、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２と信号線がつながっており、後述するコントローラ７１から作動開始の指令が入力すると、シンチレーションカウンタ２１−１〜２１−１２が出力するＸ線強度に相当する信号（入射したＸ線により発生した蛍光の強度に相当する信号）の瞬時値をデジタルデータにして、コントローラ７１に出力する。コントローラ７１のメモリには、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２の円盤状プレート２０の中心からの距離（半径値）が記憶されており、入力したＸ線強度のデジタルデータは、この値に対応されて記憶される。よって、コントローラ７１の演算処理により、回折Ｘ線の強度分布および回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値が計算される。

マーキング装置４０は、着色された液が入れられた容器が加圧された状態になっており、容器の先端の出口には常時閉状態であるが、コントローラ７１からマーク指令が入力すると瞬間的に開状態になる電磁弁が備えられている。そして、電磁弁が開状態となる一瞬に、加圧された液がレールＲａに吹き付けられ、マークがされるようになっている。コントローラ７１は、演算処理により求めた回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値から不合格判定をすると、マーキング装置４０にマーク指令を出力する。これにより、レールＲａの異常箇所にはマークがされ、異常箇所を識別することができるようになる。

コンピュータ装置７０は、コントローラ７１、入力装置７２及び表示装置７３からなる。コントローラ７１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、大容量記憶装置などを備えたマイクロコンピュータを主要部とした電子制御装置であり、大容量記憶装置に記憶された各種プログラムを実行してＸ線回折測定装置の作動を制御する。入力装置７２は、コントローラ７１に接続されて、作業者により、各種パラメータ、作動指示などの入力のために利用される。表示装置７３は、作業者に対して各種の設定状況、作動状況、測定結果などを視覚的に知らせる。

運転制御装置６０は、列車１の運行に必要な、運転開始、運転停止、加速、減速、速度制御、速度検出および移動距離検出等を行うもので、列車１に設置されている既存の装置である。本実施形態においては、運転制御装置６０が出力する運転開始、運転停止を意味する信号と、移動距離を表すデジタルデータをコントローラ７１に入力させるのみで、運転制御装置６０はＸ線回折測定装置２およびコンピュータ装置７０とは独立しており、既存の装置をそのまま用いることができる。

以下に、上記のように構成したＸ線回折測定システムを用いて、レールＲａの検査を行う具体的方法について説明する。まず、作業者は、上述したようにＸ線回折測定装置２の筐体３０とマーキング装置４０をＸ線回折測定システムに用いる列車１に取り付け、列車１内にコンピュータ装置７０と高電圧電源５５を配置し、列車１の運転制御装置６０を含めて各装置間を信号線または電力線で接続する。Ｘ線回折測定システムはこれにより準備完了する。なお、上述したように、Ｘ線回折測定装置２、コンピュータ装置７０及びマーキング装置４０は、図１に示される１体以外にもう１体があり、準備するＸ線回折測定システムは２つである。次に作業者は、運転制御装置６０により列車１を運行させて、レールＲａの検査範囲における検査開始位置まで列車１を移動させる。

次に、作業者は、運転制御装置６０内の移動距離検出装置６１が出力する移動距離をリセットして０にし、入力装置７２から検査開始の指令を入力する。上述したように、Ｘ線回折測定システムは２つあるので、作業者は検査開始の指令入力を２つの入力装置７２にて行う。この指令に応答してコントローラ７１は、メモリにインストールされている図５に示すフローのプログラムをスタートさせる。なお、図６に示すフローのプログラムもスタートさせるが、このプログラムについては後述する。これにより、検査終了まで自動で検査が行われるので、作業者は運転制御装置６０により列車１を定められた速度で運転することのみを行う。２つのＸ線回折測定システムはそれぞれ同様に作動するので、レールＲａは並んでいる２本が同時に検査される。以下、図５に示すフローに沿って説明を行う。

コントローラ７１は、ステップＳ１０にてプログラムをスタートさせると、ステップＳ１２にて運転制御装置６０から運転開始の信号が入力するまで待機し、運転開始の信号が入力するとＹＥＳと判定してステップＳ１４へ行く。コントローラ７１は、ステップＳ１４にてｎに初期値である１を入力する。ｎはレールＲａのＸ線照射点ごとの検査結果である、回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値を識別するための値であり、１から順に値が付けられる。次にコントローラ７１は、ステップＳ１６にてＸ線制御回路５２に照射開始指令を出力して、Ｘ線出射器１０からＸ線の出射を開始させる。これにより、検査開始位置から列車１の運行が開始した直後にＸ線がレールＲａの上面に照射される。

次にコントローラ７１は、ステップＳ１８にてＳＤ信号取出回路５０−１〜５０−１２に出力指令を出力し、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２が出力する信号の強度を表すデジタルデータの出力を開始させる。この段階でコントローラ７１には、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２が検出したＸ線強度のデジタルデータと、運転制御装置６０内の移動距離検出装置６１が出力する移動距離のデジタルデータが、設定された時間間隔で繰り返し入力する状態になる。次にコントローラ７１は、ステップＳ２０にて時間計測を開始し、ステップＳ２２にて時間がｎ・Δｔ経過するとＹＥＳと判定してステップＳ２４、ステップＳ２６にてＸ線強度のデジタルデータと移動距離のデジタルデータの取り込みを行い、ステップＳ２８、ステップＳ３０にて回折Ｘ線の強度分布に基づく特性値として、半価幅と積分幅の計算を行い、ステップＳ３２、ステップＳ３４にて合否判定を行う。この時点ではｎは１であるので時間がΔｔ経過すると、上述したデータ取り込み、特性値計算、合否判定を行う。

Δｔは予め設定されている時間間隔であり、後述するようにｎはインクリメントされてステップＳ２２乃至ステップＳ３４は繰り返し実行されるので、上述したデータ取り込み、特性値計算、合否判定は時間がΔｔ経過するごとに行われる。すなわち、列車の移動速度をＶとすると、レールＲａの検査はＶ・Δｔの移動距離ごとに行われる。ΔｔはＳ２２乃至ステップＳ３４の演算処理にかかる時間より大きい時間であればどのような値でもよいが、レールＲａの上面の検査を連続して行いたいときは可能な限り小さい値にし、レールＲａ上のＸ線照射点の半径をｒｘとすると、列車１の移動速度を、Ｖ＝ｒｘ／Δｔで計算される値にすればよい。すなわち、時間Δｔで列車１がＸ線照射点の半径分移動するようにすればよい。本実施形態では、レールＲａのＸ線照射点の直径は約１０ｍｍとしているので、列車１の移動速度は、Ｖ＝５ｍｍ／Δｔで計算される値にすればよい。

上述したように、コントローラ７１のメモリには、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２の円盤状プレート２０の中心からの距離（半径値）が記憶されており、ステップＳ２４にてＸ線強度のデジタルデータを取り込んだ段階で、半径方向の回折Ｘ線の強度分布を得たことになる。そして、ステップＳ２６にて移動距離のデジタルデータを取り込んでいるので、回折Ｘ線の強度分布と移動距離を対応させている。そして、ステップＳ２８、ステップＳ３０にて回折Ｘ線の強度分布から半価幅と積分幅を計算しているので、半価幅および積分幅は移動距離と対応し、それぞれの値はｎの値により識別されている。なお、半価幅および積分幅はピークを有する曲線において計算される既知の値である。

上述したように、回折Ｘ線の強度分布曲線における半価幅および積分幅はレールＲａの表面硬さと相関関係があり、表面硬さの許容限界を定めれば、半価幅および積分幅の許容限界が定まる。ステップＳ３２、ステップＳ３４のそれぞれの許容値は、レールＲａの表面硬さの許容限界から予め求められ、コントローラ７１のメモリに記憶されている。コントローラ７１はステップＳ３２、ステップＳ３４にて計算された半価幅および積分幅をそれぞれ許容値と比較し、２つとも許容値より小さければＹＥＳと判定して、ステップＳ３６にて運転制御装置６０から運転停止の信号が入力していないことを確認し、ステップＳ４２にてｎをインクリメントし、ステップＳ２２に戻る。そして、再度ステップＳ２２乃至ステップＳ３４により、データ取り込み、特性値計算、合否判定を行い、ステップＳ３６、ステップＳ４２を経由してステップＳ２２に戻る。この処理が繰り返され、時間がΔｔ経過するごとに、データ取り込み、特性値計算、合否判定が行われ、半価幅、積分幅、移動距離がｎにより識別されてコントローラ７１のメモリに記憶されていく。

このようにして、レールＲａの上面をＸ線の照射点が移動し、回折Ｘ線の強度分布曲線における半価幅および積分幅が、列車１の移動距離と対応されて記憶されていくと、図４の（Ｂ）に示す回折Ｘ線の強度分布の場合のように、半価幅または積分幅が許容限界より大きい場合がある。このとき、コントローラ７１はステップＳ３２またはステップＳ３４にて、ＮＯと判定してステップＳ３８に行き、ステップＳ３８にてマーク指令を発生させ、ステップＳ４０にて不合格（異常）と判定したときのｎの値を記憶し、ステップＳ３６、ステップＳ４２を経由してステップＳ２２に戻る。

コントローラ７１は図５に示すフローのプログラムをスタートさせたとき、図６に示すフローのプログラムもスタートさせている。コントローラ７１は、図６に示すフローのプログラムをスタートさせてから、ステップＳ１０２とステップＳ１０４を繰り返しているが、ステップＳ３８にてマーク指令の発生をすると、ステップＳ１０２にてＹＥＳと判定してステップＳ１０６へ行く。そして、ステップＳ１０６にて時間計測を開始し、ステップＳ１０８にて時間がαだけ経過するのを待ってステップＳ１１０へ行き、ステップＳ１１０にてマーキング装置４０にマーク指令を出力する。これにより、マーキング装置４０は内部に有する電磁弁が一瞬だけ開状態になり、内部の容器に入れられ、加圧されている着色された液がレールＲａに吹き付けられ、レールＲａにマークがされる。時間がαだけ経過するのを待つのは、レールＲａにおけるＸ線の照射点とマーキング装置４０のマーク位置（マーキング装置４０の吹き付け口の真下の位置）とが離れているため、マーク指令を発生させてから、対応するＸ線の照射点（レールＲａの異常箇所）がマーキング装置４０のマーク位置に来るのを待つためである。時間αは、Ｘ線の照射点とマーク位置との間の距離をＤとし、列車１の速度をＶとすると、Ｄ／Ｖに近い値であるが、ステップＳ２８、ステップＳ３０の演算処理にかかる時間、マーキング装置４０がマーク指令を受けてから、吹きつけた液がレールＲａに到達するまでの時間等の要素があるため、実際に異常箇所に列車１を走行させて、時間αを決めるようにするとよい。

コントローラ７１はステップＳ１１０の後、ステップＳ１１２へ行き、表示装置７３に異常箇所が検出されたことを知らせる表示を行う。そして、ステップＳ１１４へ行き、時間計測の停止とリセットを行って、ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０２とステップＳ１０４を繰り返すことで、次のマーク指令が発生するまで待機する。レールＲａに異常箇所が連続して存在するときは、時間Δｔが経過するごとにステップＳ３８にてマーク指令が発生するが、図６に示すフローのプログラムは、ステップＳ１０６にて時間がα経過するまで待機状態にあるので、マークは異常箇所の先頭のみにされる。

このようにして図５に示すフローのプログラムのステップＳ２２乃至ステップＳ４２が繰り返し行われて、半価幅、積分幅、移動距離が記憶されていき、異常箇所が存在するごとに、そのときのｎの値が記憶され、図６に示すフローのプログラムのステップＳ１０２乃至ステップＳ１１４が行われて、異常箇所にマークがされていく。この間、列車１は一定の速度で移動し続けており、レールＲａの検査範囲における検査終了位置に来ると作業者は列車を停止させる。このとき、コントローラ７１は運転制御装置６０から運転停止を意味する信号を入力するので、図５に示すフローのプログラムのステップＳ３６にてＹＥＳと判定してステップＳ４４へ行き、Ｘ線制御回路５２に照射停止指令を出力してＸ線の出射を停止させる。そして、ステップＳ４６にてＳＤ信号取出回路５０−１〜５０−１２に停止指令を出力して、Ｘ線強度を表すデジタルデータの出力を停止させ、ステップＳ４８にて時間計測を停止し、ステップＳ５０にて記憶した半価幅、積分幅、移動距離および異常箇所検出時のｎから検査結果を作成して、表示装置７３に表示する。

検査結果として表示するものは、異常箇所の数および異常箇所ごとの移動距離、半価幅、積分幅、許容値からのずれの度合、異常箇所の長さ（ｎが連続している場合の連続数）等である。表示が終了すると、コントローラ７１はステップＳ５２にて図５に示すフローのプログラムを停止する。また、図６に示すフローのプログラムにおいては、コントローラ７１は運転停止を意味する信号を入力すると、ステップＳ１０４にてＹＥＳと判定してステップＳ１０６へ行き、ステップＳ１０６にてプログラムを停止する。作業者は表示装置７３に表示された検査結果を見て、異常箇所のレールの交換等を判断する。

上記説明からも理解できるように、上記実施形態においては、Ｘ線回折測定システムを、対象とする測定対象物であるレールＲａに向けてＸ線を出射するＸ線出射器１０と、Ｘ線出射器１０から出射されるＸ線を断面直径１０ｍｍ程度の略平行光にする円筒状パイプ２２と、Ｘ線出射器１１から円筒状パイプ２２を介して出射されるＸ線が測定対象物であるレールＲａに照射されたとき、レールＲａにて発生する回折Ｘ線の強度を検出する複数のシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２であって、Ｘ線出射器１０から出射されるＸ線の光軸上の点を中心にした所定の円の４つの円周位置付近に、中心からの距離をそれぞれ異ならせて配置されているシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２と、Ｘ線出射器１１と円筒状パイプ２２とシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２とを含む筐体３０と、筐体３０のレールＲａに対する位置と姿勢が、Ｘ線出射器１１から出射されるＸ線がレールＲａの上面に垂直に照射され、レールＲａの上面におけるＸ線の照射点とシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２との間の距離が設定された距離になるよう維持されたまま、筐体３０をレールＲａに対して移動させる列車１と、複数のシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２における中心からの距離がそれぞれ記憶され、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２の検出した回折Ｘ線の強度を中心からの距離に対応させて記憶し、中心からの距離に対する回折Ｘ線の強度の変化に基づいて半価幅と積分幅を計算するコントローラ７１の演算プログラムとを備えたＸ線回折測定システムとしている。

これによれば、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２にＸ線入射面積の大きく、短時間でＸ線強度を高精度に検出することができるものを用いることで、レールＲａの検査範囲が広範囲であっても、短時間で精度よくＸ線照射点ごとの回折Ｘ線の強度分布に基づいて半価幅と積分幅を測定することができる。すなわち、レールＲａにＸ線を照射すればＸ線の光軸上の点を中心にした回折環が形成されるが、レールＲａの上面にＸ線を垂直に照射すれば中心から半径方向の回折Ｘ線の強度分布は、回折環の円周位置（回転角度）によらず略一定である。このため、複数のシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２をＸ線出射器１１から出射されるＸ線の光軸上の点を中心にした所定の円（回折環が形成される付近の円）の４つの円周位置付近に中心からの距離をそれぞれ異ならせて配置し、回折Ｘ線の強度を検出しても、中心からの距離に対する回折Ｘ線の強度変化は、回折環の１つの円周位置における半径方向の回折Ｘ線の強度分布と略同じになる。また、出射するＸ線の断面径を１０ｍｍ程度にしてレールＲａにおけるＸ線の照射点を大きくすれば、半径方向の回折Ｘ線の強度分布でピークが発生する箇所（回折環の箇所）において、所定の強度以上となる範囲を大きくすることができる。よって、短時間でＸ線強度を高精度に検出することができるＸ線入射面積の大きいシンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２を用いても、回折環の半径方向の回折Ｘ線の強度分布を検出することができ、短時間で精度よくＸ線照射点ごとの半価幅と積分幅を測定することができる。

また、上記実施形態においては、列車１により筐体３０が移動した距離を検出する運転制御装置６０内の移動距離検出装置６１を備え、コントローラ７１の演算プログラムは、計算した半価幅と積分幅を移動距離検出装置６１が検出した移動距離と対応させている。これによれば、半価幅または積分幅が不合格だったレールＲａの箇所（異常箇所）を、筐体３０の移動距離から識別することができる。

また、上記実施形態においては、コントローラ７１の演算プログラムが計算した半価幅と積分幅と予め記憶されている許容値とを比較して合否判定を行うコントローラ７１の判定プログラムと、列車１により筐体３０とともに移動し、コントローラ７１の判定プログラムが不合格判定をしたとき、レールＲａにおける不合格判定に対応する箇所又は不合格判定に対応する箇所の近傍にマークをつけるマーキング装置４０とを備えている。これによれば、半価幅または積分幅が不合格だったレールＲａの箇所（異常箇所）を、つけられたマークから識別することができる。

なお、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記実施形態では、測定対象物を既設の線路のレールＲａにし、Ｘ線回折測定装置２、コンピュータ装置７０等を列車１に取り付けるか、配置してＸ線回折測定システムとしたが、測定対象物の表面に対するＸ線回折測定装置２の筐体３０の位置と姿勢を一定にして、測定対象物に対して筐体３０を移動させることができれば、測定対象物はどのようなものであっても本発明を適用することができる。また、そのときの筐体３０の移動のさせ方や、測定対象物に対する筐体３０の移動距離の検出の仕方は問われない。例えば、測定対象物を大型の鋼板にした場合、Ｘ線回折測定装置２の筐体３０を小型の４輪自動車の底部に取り付け、Ｘ線回折測定装置２からＸ線を照射させながら鋼板の上を４輪自動車を走行させて、上記実施形態のように異常箇所を検出するといった実施形態が考えられる。

また、上記実施形態では、マーキング装置４０から着色液を測定対象物であるレールＲａに吹き付けることで、異常箇所にマークをつけるようにしたが、異常箇所を識別することができるならば、マーキングの方法はどのような方法でもよい。例えば、異常箇所のすぐ横に着色液が入った弾を発射する方法でもよい。

また、上記実施形態では、測定対象物であるレールＲａの異常箇所の識別として、異常箇所に移動距離を対応させる方法と、マーキング装置４０から着色液を測定対象物であるレールＲａに吹きつける方法の２つを用いたが、測定対象物によっては、いずれか１つの方法で異常箇所を充分識別することができれば、いずれか１つの方法にしてもよい。

また、上記実施形態では、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２を、Ｘ線がレールＲａに照射されたとき形成される回折環の４つの円周方向位置付近に配置したが、回折環の中心（円盤状プレート２０の中心）からの距離を、それぞれ異ならせて配置するならば、円周方向位置における配置はどのようにしてもよい。ただし、円周方向位置の数が少ないほど、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２間の距離は大きくなるので、円周方向位置の数は回折Ｘ線の強度分布を精度よく検出することができる数にする必要がある。

また、上記実施形態では、シンチレーションカウンター２１の数を１２個にしたが、回折Ｘ線の強度分布を精度よく検出することができるならば、シンチレーションカウンター２１の数は適宜変更してよい。ただし、少なくするほど回折Ｘ線の強度分布および該強度分布から計算する半価幅および積分幅等の評価値の測定精度は悪くなり、多くするほど装置のコストはＵＰするので、測定精度と装置のコストの兼ね合いから、シンチレーションカウンター２１の数を決めればよい。

また、上記実施形態では、測定対象物に照射するＸ線の断面直径を約１０ｍｍにしたが、シンチレーションカウンター２１−１〜２１−１２により、回折Ｘ線の強度分布を精度よく検出することができるならば、照射するＸ線の断面直径は適宜変更してよい。ただし、５ｍｍ未満にすると、回折Ｘ線の強度分布を精度よく検出することは困難になるので、Ｘ線の断面直径は、５ｍｍ以上にする必要がある。

また、上記実施形態では、Ｘ線出射器１０から出射されたＸ線を円筒状パイプ２２を介して測定対象物に照射することで、照射するＸ線を断面直径約１０ｍｍの略平行光にしたが、Ｘ線を適切な断面直径の略平行光にすることができるならば、どのような手段を用いてもよい。例えば、長尺の孔を有するブロックの孔を介してＸ線を測定対象物に照射するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、回折Ｘ線の強度分布に基づいた特性値として半価幅および積分幅を計算するようにしたが、回折Ｘ線の強度分布から計算することができ、測定対象物の異常箇所を検出することができる特性値ならば、どのような特性値を計算してもよい。例えば、ピーク強度、ピーク強度の設定割合の強度における幅、ピーク強度に対するピーク位置から設定距離の箇所の強度の割合等を計算するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、回折Ｘ線の強度検出にシンチレーションカウンターを用いたが、Ｘ線入射面積が大きく、Ｘ線の強度を精度よく短時間で検出することができるならば、どのようなＸ線検出センサを用いてもよい。

１…列車、２…Ｘ線回折測定装置、１０…Ｘ線出射器、２０…円盤状プレート、２１−１〜２１−１２…シンチレーションカウンター、２２…円筒状パイプ、３０…筐体、３０ａ…底面壁、３０ｄ…側面壁、４０…マーキング装置、５０−１〜５０−１２…ＳＤ信号取出回路、５２…Ｘ線制御回路、５５…高電圧電源、６０…運転制御装置、６１…移動距離検出装置、７０…コンピュータ装置、７１…コントローラ、７２…入力装置、７３…表示装置、Ｒａ…レール

Claims (5)

1. 対象とする測定対象物に向けてＸ線を出射するＸ線出射器と、
   前記Ｘ線出射器から出射されるＸ線を断面直径５ｍｍ以上の略平行光にする径調整手段と、
   前記Ｘ線出射器から径調整手段を介して出射されるＸ線が測定対象物に照射されたとき、前記測定対象物にて発生する回折Ｘ線の強度を検出する複数のＸ線検出センサであって、前記Ｘ線出射器から出射されるＸ線の光軸上の点を中心にした所定の円の２つ以上の円周位置付近に、前記中心からの距離をそれぞれ異ならせて配置されているＸ線検出センサと、
   前記Ｘ線出射器と前記径調整手段と前記Ｘ線検出センサとを含む筐体と、
   前記筐体の前記測定対象物に対する位置と姿勢が、前記Ｘ線出射器から出射されるＸ線が前記測定対象物の表面に垂直に照射され、前記測定対象物の表面におけるＸ線の照射点と前記Ｘ線検出センサとの間の距離が設定された距離になるよう維持されたまま、前記筐体を前記測定対象物に対して移動させる移動手段と、
   前記複数のＸ線検出センサにおける前記中心からの距離がそれぞれ記憶され、前記Ｘ線検出センサの検出した回折Ｘ線の強度を前記中心からの距離に対応させて記憶し、前記中心からの距離に対する回折Ｘ線の強度の変化に基づいて特性値を計算する評価手段とを備えたことを特徴とするＸ線回折測定システム。
2. 請求項１に記載のＸ線回折測定システムにおいて、
   前記Ｘ線検出センサは、入射したＸ線により発生する蛍光の強度を光電子増倍管で検出するものであることを特徴とするＸ線回折測定システム。
3. 請求項１または請求項２に記載のＸ線回折測定システムにおいて、
   前記移動手段により前記筐体が移動した距離を検出する移動距離検出手段を備え、
   前記評価手段は、計算した特性値を前記移動距離検出手段が検出した移動距離と対応させることを特徴とするＸ線回折測定システム。
4. 請求項１または請求項２に記載のＸ線回折測定システムにおいて、
   前記評価手段が計算した特性値と予め記憶されている許容値とを比較して合否判定を行う判定手段と、
   前記移動手段により前記筐体とともに移動し、前記判定手段が不合格判定をしたとき、前記測定対象物における不合格判定に対応する箇所又は不合格判定に対応する箇所の近傍にマークをつけるマーク手段とを備えたことを特徴とするＸ線回折測定システム。
5. 請求項３または請求項４に記載のＸ線回折測定システムにおいて、
   前記測定対象物は既設の線路のレールであり、
   前記移動手段は、前記既設の線路のレール上を走行可能な列車であり、
   前記筐体は、前記列車の底面に、前記出射されるＸ線が既設の線路のレール上面に照射されるよう取り付けられていることを特徴とするＸ線回折測定システム。