JP4276106B2 - X-ray diffraction apparatus and X-ray diffraction system - Google Patents
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Description
この発明は、左右一対の鉄道用レールの一方の鉄道用レールに着脱自在に装着可能であり、この鉄道用レールにＸ線を照射してこの鉄道用レールで回折した回折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、及び鉄道用レールにＸ線を照射してこの鉄道用レールで回折した回折Ｘ線により発生する回折環の画像を撮像するためのＸ線回折システムに関する。 The present invention can be detachably mounted on one railroad rail of a pair of left and right railroad rails , and the diffraction generated by the diffracted X-rays radiated from the railroad rail and diffracted by the railroad rail. X-ray diffractometer for capturing an image of a ring , and X-ray diffraction system for capturing an image of a diffracting ring generated by diffracted X-rays radiated on a rail for rail and diffracted by the rail for rail About.
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。 A conventional X-ray stress measurement apparatus includes an X-ray irradiation unit that irradiates X-rays to the rail abdomen, a detection unit that detects diffraction X-rays from the rail abdomen, a goniometer that measures the diffraction angle of the diffraction X-rays, and an irradiation A driving device that rotationally drives the X-ray irradiation unit and the detection unit around the irradiation point so that the incident angle of the X-rays incident on the point changes, a gantry that supports the goniometer and the driving device and is fixed to the vehicle, and detection And an arithmetic unit that calculates the residual stress of the rail based on the detection result of the rail (see, for example, Patent Document 1). In such a conventional X-ray stress measurement apparatus, the vehicle is stopped at an arbitrary measurement position, X-rays are irradiated while changing the incident angle at one irradiation point of the rail abdomen, and diffraction X from the rail abdomen The residual stress of the rail abdomen is calculated by detecting the line.
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。 Moreover, the conventional X-ray stress measurement method sets the incident angle of the X-ray with respect to the measuring object to a plurality of angles and measures the diffraction line profile for each incident angle (see, for example, Patent Document 2). In such a conventional X-ray stress measurement method, the intensity of diffracted X-rays from the object to be measured is measured at each incident angle, and the stress in a coarse-grained material with a small number of crystals or a micro region is measured by the sin 2 ψ method. is doing.
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。 Conventional X-ray stress measurement devices require a goniometer capable of measuring the diffraction angle with high accuracy and a drive device with a complicated mechanism. Therefore, the device is large and inconvenient to carry, and the mechanism is complicated and costly. There is a problem that becomes high. Further, in the conventional X-ray stress measurement device and the conventional X-ray stress measurement method, the incident angle of the X-ray with respect to the measurement object is set to a plurality of angles, and the measurement object is irradiated with X-rays for each incident angle. Therefore, there is a problem that the measurement time becomes long and the consumption of the X-ray tube becomes intense. Furthermore, in the conventional X-ray stress measurement apparatus and the conventional X-ray stress measurement method, it is difficult to set the incident angle accurately so that the irradiation point does not shift, and X-rays are set at a plurality of incident angles. When X is irradiated, since the irradiation area of X-rays changes, there is a problem that sufficient measurement accuracy cannot be obtained.
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。 An object of the present invention is to provide an X-ray diffraction apparatus and an X-ray diffraction system that have an easy-to-handle and inexpensive structure, are easy to carry, and can easily take an image of a diffraction ring.
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、左右一対の鉄道用レールの一方の鉄道用レール（１）に着脱自在に装着可能であり、この鉄道用レールにＸ線を照射してこの鉄道用レールで回折した回折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、前記鉄道用レールに前記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イメージングプレートに撮像する撮像部（７）と、前記鉄道用レールに対する前記Ｘ線の入射角（ψ 0 ）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保持部（８）と、前記鉄道用レールに沿って前記保持部が移動可能なように、この鉄道用レールのレール頭部（１ａ）の両側面（１ｅ，１ｆ）及び上面（１ｄ）と回転接触して、この鉄道用レールに前記保持部を着脱自在に装着する装着部（９，１０）とを備えるＸ線回折装置（５）である。
The present invention solves the above-mentioned problems by the solving means described below.
In addition, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected and demonstrated, it is not limited to this embodiment.
The invention according to claim 1 can be detachably attached to one rail rail (1) of the pair of left and right rail rails , and diffraction diffracted by the rail rail by irradiating the rail rail with X-rays. An X-ray diffractometer for taking an image of a diffraction ring generated by X-rays, the X-ray irradiator (6) for irradiating the rail for rail with the X-rays, and storing energy of the diffracted X-rays And an imaging unit (7) that captures an image of the diffraction ring on an imaging plate, and the X-ray irradiation unit and the X-ray irradiation unit so that an incident angle (ψ 0 ) of the X-ray with respect to the railroad rail is a single angle. holding unit for holding the imaging unit (8), as the holding portion along the railway rail movable, both side surfaces (1e, 1f) of the rail head of the railway rail (1a) and In front of this railroad rail, in rotational contact with the top surface (1d) A mounting portion for detachably mounted the holder (9, 10) and the X-ray diffraction apparatus including a (5).
請求項２の発明は、鉄道用レール（１）にＸ線を照射してこの鉄道用レールで回折した回折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又は請求項２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鉄道用レール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。 The invention of claim 2 is an X-ray diffraction system for taking an image of a diffraction ring generated by diffracted X-rays radiated to a railroad rail (1) and diffracted by the railroad rail , The X-ray diffraction apparatus (5) according to claim 1 or 2 , and an evaluation apparatus (12) for evaluating the state of the rail for the rail based on the image of the diffraction ring imaged by the imaging unit (7). An X-ray diffraction system (2).
請求項３の発明は、請求項２に記載のＸ線回折システムにおいて、前記評価装置は、前記鉄道用レール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。 The invention of claim 3 provides the X-ray diffraction system according to claim 2, wherein the evaluation device is an X-ray diffraction system and evaluating the stress of the railway rails.
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。 According to the present invention, it is an easy-to-handle and inexpensive structure, and it is convenient to carry and can easily take an image of a diffraction ring.
（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。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a front view of an X-ray diffraction apparatus of an X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a right side view of the X-ray diffraction apparatus of the X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention.
A rail 1 shown in FIGS. 1 and 2 is a member that supports and guides the wheels of a railway vehicle to run the railway vehicle. As shown in FIG. 2, the rail 1 includes a rail head 1 a that contacts a wheel of a railway vehicle, a rail bottom 1 b that is attached to a support such as a sleeper (not shown), a rail head 1 a, and a rail bottom 1 b. It is comprised from the rail abdominal part 1c to connect. As shown in FIG. 2, a top surface 1d is formed on the top surface of the rail head portion 1a, and head side surfaces 1e and 1f are formed on both side surfaces of the rail head portion 1a.
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。 An X-ray diffraction system 2 shown in FIG. 1 is a system for capturing an image of a diffraction ring generated by diffracted X-rays that are diffracted by the rail 1 by irradiating the rail 1 with X-rays. The X-ray diffraction system 2 captures and analyzes an image of a diffraction ring generated by diffracted X-rays from the rail 1 and measures the stress of the rail 1 and the like. As shown in FIG. 1, the X-ray diffraction system 2 includes an X-ray generation device 3, a cooling device 4, an X-ray diffraction device 5, a reading device 11, an evaluation device 12, a storage device 13, and a display device. 14 and a printer 15 and the like.
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。 The X-ray generator 3 is an apparatus that generates an X-ray by colliding an electron beam with a target. The X-ray is used to generate a Cr-Kα characteristic X-ray by accelerating the electron beam at a high voltage and colliding with an anode. It has a tube (vacuum tube). The cooling device 4 is a device that cools the X-ray diffraction device 5, and sends the cooling water to a conduit that circulates the cooling water with the X-ray diffraction device 5.
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。 The X-ray diffractometer 5 is an apparatus for taking an image of a diffraction ring generated by diffracted X-rays radiated to the rail 1 and diffracted by the rail 1. As shown in FIGS. 1 and 2, the X-ray diffractometer 5 includes an X-ray irradiation unit 6, an imaging unit 7, a holding unit 8, and mounting units 9 and 10. The X-ray diffractometer 5 is electrically connected and coupled to the X-ray generator 3 and constitutes a measurement carriage that can move along the rail 1.
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。 The X-ray irradiation unit 6 is a portion that irradiates the rail 1 with X-rays, and includes an X-ray irradiation tube 6a, a tube pressing portion 6b, a tube pressing screw portion 6c, base portions 6d and 6e, a connecting portion 6f, and the like. I have. The X-ray irradiation tube 6a is a pinhole collimator that irradiates the X-ray generated by the X-ray generator 3 to a narrow parallel beam having a diameter of about 3 mm. The tube pressing portion 6b is a member that supports the tip of the X-ray irradiation tube 6a, and the tip of the X-ray irradiation tube 6a is fitted into the tip of the tube pressing portion 6b. The tube holding screw portion 6c is a member that sandwiches and supports the plate holding portion 7b with the tube holding portion 6b, and is screwed and fixed to the distal end portion of the tube holding portion 6b while penetrating the X-ray irradiation tube 6a. ing. The base portion 6d is a plate-like member for fixing the tube holding portion 6b, the base portion 6e is a member for fixing the X-ray irradiation tube 6a and the base portion 6d, and the connecting portion 6f is the base portion 6d to the holding portion 8. It is a member that is connected and fixed.
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。 The imaging unit 7 is a part that accumulates the energy of the diffracted X-ray and captures an image of the diffraction ring. The imaging unit 7 includes an imaging plate (Imaging Plate (IP)) 7a, a plate holding unit 7b, a plate cover unit 7c, and the like, and these parts constitute an IP camera. The imaging plate 7a is a recording medium that captures an entire image of the diffraction ring by using a photostimulable luminescence phenomenon in which X-ray energy is once accumulated and then fluorescence is generated by excitation with light. Here, Photo-Stimulated Luminescence (PSL) means that when a first stimulus such as radiation is applied to the phosphor, and then the second stimulus is irradiated as excitation light to the phosphor, This is a light emission phenomenon in which the wavelength is shorter than that of the second light and the third light corresponding to the first stimulus is generated. The imaging plate 7a is a kind of a flexible radiation image sensor formed by applying a stimulable phosphor microcrystal such as BaFBr: Eu2 + on the surface of a plastic film. This X-ray energy is stored in the stimulable phosphor. The plate holding portion 7b is a plate-like member that holds the back surface of the imaging plate 7a, and is attached and fixed to the surface of the base portion 6d. A through hole through which the X-ray irradiation tube 6a passes is formed at the center of the plate holding portion 7b. The plate cover portion 7c is a plate-like member that partially covers the surface of the imaging plate 7a, and is detachably attached to the plate holding portion 7b with the imaging plate 7a sandwiched between the plate holding portion 7b. ing. A circular opening (not shown) for partially exposing the imaging plate 7a is formed at the center of the plate cover portion 7c.
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。 The holding unit 8 is a gantry part that holds the X-ray irradiation unit 6 and the imaging unit 7 so that the X-ray incident angle ψ 0 with respect to the rail 1 becomes a single angle, and is movable along the rail 1. is there. Here, the incident angle ψ 0 is an angle with respect to the normal line O when a normal line O perpendicular to the parietal surface 1d is set, and is generally 45 ° which is the most suitable angle in terms of measurement accuracy. Is set. However, in this embodiment, the incident angle [psi 0 becomes large change on the diffraction ring from the effects of the absorption of X-rays is set to 45 °, since a part of the diffraction is weakened, the incident angle ψ 0 30 ° ~ It is preferable to fix in the range of 45 °, and it is particularly preferable to fix the incident angle ψ 0 to 30 °. As shown in FIGS. 1 and 2, the holding portion 8 includes frame portions 8a and 8b, spacer portions 8c and 8d, and the like. The frame portions 8a and 8b shown in FIGS. 1 and 2 are portions that fix and support the base portions 6d and 6e. The frame portions 8a and 8b are both the same structure, and are plate-like members having an outer shape that is substantially L-shaped as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the frame portions 8 a and 8 b are arranged to face each other, and include a plurality of shaft-like connecting portions 8 e that connect them at a predetermined interval. The spacer portions 8c and 8d shown in FIG. 1 are plate-like members that connect the upper portion of the frame portion 8a and the upper portion of the frame portion 8b and are sandwiched so that the distance between them is constant.
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。 The mounting portions 9 and 10 are portions for detachably mounting the holding portion 8 on the rail 1, the mounting portion 9 is fixed to one end of the holding portion 8, and the mounting portion 10 is the other end of the holding portion 8. It is fixed to the end of the. As shown in FIGS. 1 and 2, the mounting portions 9 and 10 have the same structure, and the mounting portion 9 will be described below, which is a member on the mounting portion 10 side and is the same as the member on the mounting portion 9 side. About the part which has a function, corresponding code | symbol is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted. As shown in FIG. 2, the mounting portion 9 includes rotating bodies 9a to 9d, bearing portions 9e to 9g, a base portion 9h, and the like. The rotating bodies 9a to 9d are members that guide the holding portion 8 so as to be movable in the length direction of the rail 1. As shown in FIG. 2, the rotating bodies 9a and 9b are in rolling contact with the top surface 1d, and the rotating body 9c. , 9d are in rolling contact with the head side surfaces 1e, 1f. The bearing portions 9e to 9g are members that rotatably support the rotating bodies 9a and 9b. The base portion 9h is a member that fixes and supports the bearing portions 9e to 9g and rotatably supports the rotating bodies 9c and 9d, and is sandwiched and fixed between the pair of frame portions 8a and 8b as shown in FIG. ing. The base portion 9h is formed in a concave shape so as to cover the rail head portion 1a, and rotating bodies 9c and 9d are rotatably supported at both lower ends of the base portion 9h.
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。 A reading device 11 shown in FIG. 1 is a device (IP reader) that reads a diffraction ring image picked up by an imaging plate 7a. The reader 11 scans and irradiates excitation light such as a He—Ne laser on the imaging plate 7a, amplifies the fluorescence generated from the X-ray energy accumulation portion in the imaging plate 7a by a photomultiplier tube, and X The intensity of the line is measured and the diffraction ring image is read out. The reading device 11 uniformly irradiates the imaging plate 7a after reading the diffraction ring image with visible light to erase the X-ray image, and makes the imaging plate 7a reusable. The reading device 11 outputs the image information of the diffraction ring read from the imaging plate 7 a to the evaluation device 12.
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。 The evaluation device 12 is a device that evaluates the state of the rail 1 based on the diffraction ring image captured by the imaging unit 7. The evaluation device 12 analyzes the image information of the diffraction ring output from the reading device 11 based on the image analysis program, and the stress, crystal state, damage state, micro strain, texture, crystal grain size, phase transformation, structure of the rail 1. Evaluate the volume ratio and so on. The evaluation apparatus 12 calculates the stress at the X-ray irradiation point of the rail 1 using, for example, the Bragg diffraction conditional expression and the cos α method based on the theory of elasticity. The storage device 13 is a device (memory) that stores the evaluation result of the evaluation device 12, the display device 14 is a device that displays the evaluation result of the evaluation device 12 on the screen, and the printing device 15 is the evaluation of the evaluation device 12. This device prints and outputs the results.
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。 Next, a method for using the X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIGS. 1 and 2, when the X-ray diffractometer 5 is transported to the measurement site and the mounting portions 9 and 10 are mounted on the rail 1, the X-ray diffractometer 5 is installed on the rail 1 and X-ray incidence is performed. The angle ψ 0 is set to a predetermined inclination angle (for example, 30 °). Since the rail head 1a is sandwiched between the rotating bodies 9a to 9d in this state, when the X-ray diffractometer 5 is moved in the length direction of the rail 1, the rotating bodies 9a to 9d are in rotational contact with the rail head 1a. The mounting parts 9 and 10 guide and guide the holding part 8 in the length direction of the rail 1 while rolling. Next, the X-ray diffractometer 5 is stopped at an arbitrary measurement location, and the X-ray generated by the X-ray generator 3 is irradiated from the X-ray irradiation unit 6 to the X-ray irradiation point on the top surface 1d in about 5 minutes. Irradiate. As a result, the diffracted X-rays from the rail 1 enter the imaging plate 7a, and the entire image of the diffraction ring is picked up and recorded by the imaging plate 7a. Next, when the imaging plate 7a is detached from the X-ray diffractometer 5 and attached to the reading device 11, the reading device 11 reads the image information of the diffraction ring from the imaging plate 7a in a reading time of about several minutes and outputs it to the evaluation device 12. The evaluation device 12 analyzes the image information of the diffraction ring to evaluate the residual stress of the rail 1 and the like.
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Ｒαは、回折角２θα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。 Next, a stress measurement method using the X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining a stress measurement method using the X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention. Below, the case where the stress of the rail for railroads is measured by the cosα method will be described as an example. The diffraction ring radius R α shown in FIG. 3 is obtained by the following equation 1 using the diffraction angle 2θ α and the distance L. Here, the distance L is the distance between the imaging plate IP and the sample S, and the subscript α corresponds to the α angle direction of the diffraction ring.
ブラッグの条件式よりひずみεα、格子面間隔ｄ及び回折角２θαには、以下の数２に示す関係がある。 From the Bragg conditional expression, there is a relationship expressed by the following formula 2 with respect to the strain ε α , the lattice plane distance d, and the diffraction angle 2θ α .
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εαは、数１及び数２によって回折環半径Ｒαから求められ、試料座標系(Ｓi系)のひずみと以下に示す数３の関係がある。 Δd shown in Equation 2 is the amount of change in the lattice spacing d, and 2θ 0 is the 2θ value when there is no strain. The strain epsilon alpha, by the number 1 and number 2 are determined from the diffraction ring radius R alpha, a relationship of Equation 3 shown in strain O with the following sample coordinate system (S i systems).
数３に示すｎijは、Ｓi系から実験座標系(Li)への変換マトリックスであり、ひずみεαはＬ3軸方向の縦ひずみである。ｎij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。 N ij shown in Equation 3 is a transformation matrix from the S i system to the experimental coordinate system (L i ), and the strain ε α is a longitudinal strain in the L 3 axis direction. n ij is expressed by the following equation 4 when only necessary components are shown.
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(Ｓi系)は以下の数５によって表される。 Ψ 0 shown in Equation 4 is an angle formed by the incident X-ray beam and the S 3 axis, and φ 0 represents an angle formed by the projection of the incident beam on the S 1 S 2 plane and the S 1 axis. When the material is an isotropic elastic body, the relationship between stress and strain ( Si system) is expressed by the following formula 5.
数５に示すδij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。 Δ ij shown in Equation 5 is the Kronecker delta. S 1 and S 2 represent diffractive elastic constants, and are expressed by the following formula 6 by Young's modulus E and Poisson's ratio ν.
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εα，επ+α，ε-α，επ-αと表し、以下に示す数７からａ1を演算する。 Here, as the Young's modulus E and Poisson's ratio ν, it is necessary to use values for diffraction. Next, four strains whose central angles are α, π + α, -α, π-α are represented as ε α , ε π + α , ε -α , ε π-α, and to calculate the a 1.
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。 When using a number 3 to number 7 Show a 1 in stress component, a 1 is represented by the number 8 when phi 0 = 0.
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。 When a 1 shown in Equation 8 is partially differentiated by cos α, it is expressed by Equation 9 below.
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σs 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。 Since s 2 and ψ 0 on the right side can be handled as known numbers, the stress σ s 11 is determined from the slope of the a 1 -cos α diagram. Although η depends on the stress, the influence on the sin 2 η value is slight, so that there is no practical problem even if 2η is replaced with the value η 0 (= π−2θ 0 ) when no stress is applied.
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。
Next, a method for analyzing diffraction ring image information by the X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a diffraction ring measured by the X-ray diffraction apparatus of the X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing the structure of the diffraction ring image measured by the X-ray diffraction apparatus of the X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing an analysis method of the diffraction ring image and the intensity distribution of the diffracted X-rays by the X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a graph showing an example of a radial profile of a diffraction ring image by the X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 is a graph showing, as an example, the relationship between the diffraction ring radius and the diffraction ring center angle by the X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention.
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。 Here, the vertical axis shown in FIG. 7 is the intensity of the diffracted X-ray, and the horizontal axis is the distance from the center point of the diffraction ring. The vertical axis shown in FIG. 8 is the diffraction ring radius R (mm), and the horizontal axis is the diffraction ring center angle α (deg). The diffraction ring image on the imaging plate 7a shown in FIGS. 4 and 5 is composed of, for example, square pixels with a side of 100 μm, and 2560 such pixels are arranged vertically and 2048 horizontally. The gradation of each pixel is 16 bits, and the intensity distribution of the diffracted X-rays in the radial direction of the diffraction ring is measured by analyzing a total of 360 images at intervals of 1 ° of the diffraction ring center angle. At this time, as shown in FIG. 6, the average is calculated using the diffraction intensities of all the pixels included in a square region having a side of 200 μm as a center centered at a point of 100 μm interval from the center point of the diffraction ring as the weight of each area, The intensity distribution of diffracted X-rays is calculated as shown in FIG. In FIG. 7, six waveforms are shown for ease of understanding, but in reality, the distance from the diffraction ring center point and the intensity of the diffraction X-ray are calculated for each diffraction ring center angle shown in FIG. Thus, a total of 360 waveforms are generated every 1 ° within the range of the diffraction ring center angle of 1 ° to 360 °.
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。 Next, the diffraction peak position is calculated from the intensity distribution of the diffracted X-rays shown in FIG. 7 by the half-width half-point method, and the distance from the diffraction ring center point to the diffraction peak position as shown in FIG. Then, the relationship with the diffraction ring center angle α is analyzed. Here, the diffraction ring center point is calculated, for example, by calculating the radius of the diffraction ring of the iron powder using the 211 diffraction ring of the iron powder by the same analysis method as described above, and there is no macro stress in the diffraction ring. Therefore, it can be estimated and determined from the center point of the diameter of the diffraction ring. For example, 180 diameters having a central angle of 1 ° can be calculated and determined with accuracy of 0.01 μm or less through convergence calculation. As shown in FIG. 8, since the diffraction ring radius R is large at a diffraction ring center angle of 180 °, the diffraction ring is not a perfect circle but a shape close to a strain ellipse, and stress is generated inside. I understand.
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。
The X-ray diffraction system according to the first embodiment of the present invention has the following effects.
(1) In the first embodiment, the holding unit 8 holds the X-ray irradiation unit 6 and the imaging unit 7 so that the X-ray incident angle ψ 0 with respect to the rail 1 becomes a single angle. As a result, the stress measurement accuracy comparable to that of sin 2 ψ used in conventional X-ray stress measurement devices is achieved by using the cosα method that measures stress from the entire image of a single diffraction ring with a single X-ray incidence. Can be obtained. In addition, since a diffractometer or goniometer with a precise angle measurement mechanism or incident angle setting mechanism is not required, the structure of the device is simple and inexpensive to manufacture, and it is lightweight and easy to carry. And can be measured easily on site. Furthermore, since the X-ray irradiation point is not shifted and the irradiation area of the X-ray irradiation point is not changed due to the fluctuation of the incident angle ψ 0 as in the conventional X-ray stress measurement device, the measurement accuracy can be improved.
(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。 (2) In the first embodiment, the imaging plate 7a accumulates the energy of the diffracted X-ray and takes an image of the diffractive ring. As a result, the stress is determined using the information on the entire circumference of the diffractive ring, compared to the case where the stress is measured using a part of the information of the diffractive ring as in the conventional X-ray stress measurement device. Therefore, measurement accuracy can be improved. Further, the entire image of the diffraction ring can be quantitatively measured as a digital quantity by the imaging plate 7a. This eliminates the need for conventional development processes such as photographic film, so that images can be read in a short time and processed easily by a computer, and the diffraction ring image can be easily erased and returned to the initial state for repeated use. can do. Furthermore, since the X-ray measurement efficiency is improved and the measurement time can be shortened, the consumption of the X-ray tube can be suppressed.
(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。 (3) In the first embodiment, the holding portion 8 is detachably attached to the rail 1 by the attachment portions 9 and 10. For this reason, it can attach to the actual rail 1 currently laid, and can measure a stress.
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。
Next, examples of the present invention will be described.
(Verification experiment of X-ray stress measurement accuracy by cosα method)
First, the X-ray stress measurement using the imaging plate and the cos α method was verified. For the purpose of verifying the X-ray stress measurement theory and the like, a rotating counter-cathode type was used for the X-ray generator, and a 127 mm × 127 mm sheet was used for the imaging plate. For the test piece, carbon steel (JIS-S50C) having a carbon content of about 0.5% was processed into a width of 10 mm, a thickness of 5 mm, and a length of 60 mm.
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。
FIG. 9 shows the result of stress measurement by the X-ray diffraction system according to the embodiment of the present invention, FIG. 9A is a diagram showing an example of a diffraction ring image, and FIG. 9B is an analysis example of a diffraction profile. FIG. 9C is a graph comparing the measured stress value calculated by the cos α method with the load stress value.
Here, the vertical axis shown in FIG. 9B is the diffracted X-ray intensity (au) (arbitrary unit (arbitrary unit)), and the horizontal axis is the distance (1/10 mm) from the center of the diffraction ring. . The vertical axis shown in FIG. 9C is the measured stress value (MPa) calculated by the cos α method, and the horizontal axis is the load stress value (MPa). Loads of 20.6 MPa, 113.3 MPa and 206.0 MPa were applied to the test piece, and X-ray stress measurement was performed by an imaging plate and a cos α method. As a result, as shown in FIG. 9C, the variation of the data measured three times at each load level is smaller than that of the conventional X-ray stress measurement method, and the stress corresponding to the load stress is approximately one to one. It was confirmed that measurement was possible. As a result, it was confirmed that the X-ray stress measurement by the cos α method using the imaging plate had sufficient accuracy, and the analysis accuracy of the entire image of the diffraction ring by the imaging plate was also sufficient.
（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。
(X-ray stress measurement experiment using an actual rail)
Next, the X-ray diffraction system 2 shown in FIGS. 1 and 2 was used to irradiate the top surface 1d of the used rail 1 with a length of 3000 mm on the test line in the Railway Technical Research Institute. Then, a diffraction ring image of 211 diffraction generated from the ferrite crystal grains of the rail 1 was picked up on the imaging plate 7a, this diffraction ring image was recorded, and the residual stress was analyzed.
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。
FIG. 10 is a diagram showing, as an example, the measurement result by the X-ray diffraction system according to the embodiment of the present invention, and FIG. 10 (A) is a diagram showing the measurement result of the diffraction ring image of the top surface of the used rail. 10B is a graph showing the intensity distribution of diffraction X-rays in the radial direction of the diffraction ring, and FIG. 10C is a graph showing the relationship between the diffraction ring radius R and the diffraction ring center angle α.
FIG. 10 shows an example of an α211 diffraction ring image. The outer diffraction ring is from the rail, and the inner diffraction ring is from α211 diffraction of iron powder. Next, the entire image of the diffraction ring is read from the imaging plate 7a by the reading device 11 shown in FIG. 1, and the intensity distribution of the diffracted X-rays in the radial direction of the diffraction ring is calculated from the entire image of the diffraction ring by the image analysis program of the evaluation device 12. Was analyzed. The vertical axis shown in FIG. 10B is the intensity (au) of the diffracted X-ray, and the horizontal axis is the distance (1/10 mm) from the diffraction ring center point. Of the two peaks shown in FIG. 10 (B), the right side is rail 1 and the left side is iron powder, each of which is an αFe211 peak. Next, the peak position was determined by the image analysis program of the evaluation device 12 with respect to the radial profile of the diffraction ring shown in FIG. 10B, and the peak position radius was calculated for each direction of the diffraction ring. The vertical axis shown in FIG. 10C is the diffraction ring radius (1/10 mm), and the horizontal axis is the diffraction ring center angle (deg). As shown in FIG. 10 (C), when the peak position radius is calculated with respect to the central angle of the diffraction ring, there is a slight upward distribution although there is a variation, and the measurement position on the top surface 1d is slightly small. It was estimated that there was a tensile residual stress.
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。
FIG. 11 is a graph showing an example of an a 1 -cos α diagram obtained by the X-ray diffraction system according to the embodiment of the present invention.
The vertical axis shown in FIG. 11 is a 1 , and the horizontal axis is cosα. The a 1 -cos α diagram for calculating the residual stress was calculated by the image analysis program of the evaluation device 12. As shown in FIG. 11, the regression line showed a downward trend, and it was confirmed from this regression line that tensile stress was present on the top surface 1 d of the used rail 1.
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。
FIG. 12 is a graph showing, as an example, the measurement result of residual stress by the X-ray diffraction system according to the embodiment of the present invention.
The vertical axis shown in FIG. 12 is the residual stress (MPa), and the horizontal axis is the position on the rail 1. When the residual stress at three points on the top surface 1d in the longitudinal direction of the rail 1 was measured by the X-ray diffraction system 2 shown in FIG. 1, tensile stress in the range of 20 to 120 MPa was measured at any point.
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。 From the above results, it was confirmed that the evaluation of the rail 1 actually laid outdoors by the X-ray diffraction system 2 is sufficiently effective. Moreover, each part of the rail is regularly measured to make a database of secular changes, and by accumulating and monitoring the residual stress and X-ray diffraction data of the rail surface at each measurement position and measurement time, the system can be systematically measured. It can be expected to grasp and manage the damage state. Furthermore, the deterioration status and remaining life evaluation of the rail 1 can be accurately grasped, and the accuracy of confirmation of soundness, identification of damaged parts, accurate determination of correction time, etc. has been improved, so that efficient and accurate rail maintenance can be performed. It can be realized, and it can be expected to reduce maintenance costs and improve safety by repairing and replacing only necessary parts.
（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。
(Second Embodiment)
FIG. 13 is a front view of an X-ray diffraction apparatus of an X-ray diffraction system according to the second embodiment of the present invention. In the following, the same parts as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
The imaging unit 7 shown in FIG. 13 includes an X-ray CCD 7d. The X-ray CCD 7d is a charge coupled device that converts X-ray energy into an electric signal and outputs the electric signal, and is a medium that captures an entire image of a diffraction ring generated by diffracted X-rays. The X-ray CCD 7d outputs the image information of the captured diffraction ring to the evaluation device 12. In the second embodiment of the present invention, in addition to the effects of the first embodiment, the entire image of the diffraction ring can be captured in a short time by the X-ray CCD 7d, and the imaging plate 7a shown in FIGS. In comparison, the small imaging unit 7 can be installed at a short distance from the top surface 1d. As a result, the X-ray diffractometer 5 can be made compact, and the distance between the X-ray CCD 7d and the top surface 1d can be reduced, so that the X-ray irradiation time can be shortened. Consumption can be further suppressed. Further, in the second embodiment, it is not necessary to read the imaging plate 7a by the reading device 11 as in the first embodiment, and the image information of the diffraction ring can be directly transmitted from the imaging unit 7 to the evaluation device 12. Therefore, the analysis time can be greatly shortened.
（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。
(Third embodiment)
FIG. 14 is a front view of an X-ray diffraction apparatus of an X-ray diffraction system according to the third embodiment of the present invention.
The X-ray diffraction system 2 shown in FIG. 14 is mounted on the vehicle 16 so that the holding portion 8 can move along the top surface 1d of the rail 1, and the X-ray diffraction apparatus 5 shown in FIGS. Similarly, the imaging unit 7 includes an imaging plate 7a. The vehicle 16 is a railway vehicle such as a train or a train, and is, for example, a track inspection vehicle that measures the state of the track while traveling along the track. In the third embodiment, in addition to the effects of the first embodiment and the second embodiment, measurement during running is possible. Therefore, the state of the rail 1 is measured while driving, data is accumulated, secular change, etc. Can be monitored. In addition, since the entire image of the diffraction ring is captured while the X-ray diffractometer 5 moves, it is possible to calculate and evaluate the average value of the measurement data at each measurement point, or to measure a coarse crystal part or a minute part. it can.
（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。
(Fourth embodiment)
FIG. 15 is a front view of an X-ray diffraction apparatus of an X-ray diffraction system according to the fourth embodiment of the present invention.
The X-ray diffraction system 2 shown in FIG. 15 is mounted on the vehicle 16 so that the holding unit 8 can move along the top surface 1d of the rail 1, and images are taken in the same manner as the X-ray diffraction device 5 shown in FIG. The unit 7 includes an X-ray CCD 7d. In the third embodiment, the X-ray diffraction apparatus 5 can be made more compact than in the second embodiment.
（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。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications or changes can be made as described below, and these are also within the scope of the present invention.
(1) In this embodiment, the rail 1 is described as an example of the measurement object, but the present invention can also be applied to an iron bridge, a fillet weld, a bottom of a gear, and the like. In this embodiment, the metal having a crystal structure is described as an example of the measurement object. However, the present invention can be applied to ceramics and plastics having a crystal structure. Furthermore, in this embodiment, the case of irradiating the parietal surface 1d with X-rays has been described as an example. You can also
(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。 (2) In this embodiment, the case where stress is measured using the entire image of the diffraction ring has been described as an example. However, stress or the like may be measured using a part of the image of the diffraction ring. it can. In this embodiment, the case where the image information of the diffraction ring captured by the X-ray CCD 7d is transmitted to the evaluation device 12 in real time has been described as an example. However, the measurement data for each measurement point is stored in the storage unit (memory). It can be stored and read from the evaluation device 12 as necessary. Furthermore, in this embodiment, the case where the measurement object is fixed and measurement is performed while moving the X-ray diffraction apparatus 5 has been described as an example. However, the measurement is performed while the X-ray diffraction apparatus 5 is fixed and the measurement object is moved. You can also
(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。 (3) In this embodiment, X-rays have been described as an example of radiation, but the present invention can also be applied to other radiation such as neutrons. In this embodiment, the imaging plate 7a and the X-ray CCD 7d are described as examples of the diffracted X-ray detector. However, the diffraction X-ray is detected by a multi-wire detector, a flat panel detector (FPD), or the like. Lines can also be detected. Furthermore, in this embodiment, the imaging plates 7a are mounted and used one by one, but a plurality of imaging plates 7a can be stored in a cassette-type storage unit and used one by one.
(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。 (4) In this embodiment, X-rays are irradiated at a single inclination angle with respect to the parietal surface 1d, but X-rays can also be irradiated perpendicularly to the parietal surface 1d. In this case, the crystal state of the rail 1 can be measured instead of measuring the stress of the rail 1. In this embodiment, the center point of the diffraction ring is obtained using iron powder as a standard sample, but the center axis of the image corresponding to the X-ray irradiation tube 6a in the diffraction ring image is defined as the diffraction ring. It can also be the center point of.
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
1 rail (object to be measured)
2 X-ray diffraction system 3 X-ray generator 4 Cooling device 5 X-ray diffractometer 6 X-ray irradiation unit 6a X-ray irradiation tube 7 Imaging unit 7a Imaging plate 7d X-ray CCD
8 Holding portion 9, 10 Mounting portion 11 Reading device 12 Evaluation device 16 Vehicle ψ 0 Incident angle
Claims (3)
前記鉄道用レールに前記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イメージングプレートに撮像する撮像部と、
前記鉄道用レールに対する前記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保持部と、
前記鉄道用レールに沿って前記保持部が移動可能なように、この鉄道用レールのレール頭部の両側面及び上面と回転接触して、この鉄道用レールに前記保持部を着脱自在に装着する装着部と、
を備えるＸ線回折装置。 An image of a diffraction ring generated by diffracted X-rays diffracted by this railroad rail can be detachably mounted on one railroad rail of a pair of left and right railroad rails. An X-ray diffractometer for imaging,
An X-ray irradiation unit for irradiating the X-ray on the rail for the railway ;
An imaging unit that accumulates energy of the diffracted X-rays and images an image of the diffraction ring on an imaging plate ;
A holding unit that holds the X-ray irradiation unit and the imaging unit such that an incident angle of the X-ray with respect to the railroad rail becomes a single angle ;
The holding portion is detachably mounted on the rail for rail so that the holding portion can move along the rail for rail, in rotational contact with both side surfaces and the upper surface of the rail head of the rail. A mounting part;
An X-ray diffraction apparatus comprising:
請求項１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鉄道用レール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。 An X-ray diffraction system for a railway rail by irradiating X-rays to capture images of the diffraction circles generated by the diffraction X-ray diffracted by the railway rail,
An X-ray diffractometer according to claim 1;
An evaluation device that evaluates the state of the rail for the rail based on the image of the diffraction ring imaged by the imaging unit;
An X-ray diffraction system comprising:
前記評価装置は、前記鉄道用レールの応力を評価すること、
を特徴とするＸ線回折システム。 The X-ray diffraction system according to claim 2 ,
The evaluation device evaluates the stress of the rail for the railway ;
X-ray diffraction system.
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