JP6712418B2 - 非破壊検査装置と方法 - Google Patents
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Description
検査対象物において散乱して戻って来た散乱中性子を検出する中性子検出装置と、
中性子検出装置による前記散乱中性子の検出数を計測し、該検出数を時間に対して表した検出数データを生成する計測装置と、を備える、ことを特徴とする非破壊検査装置が提供される。
中性子は水と反応しやすいので、検査対象物の内部に水が存在している部分がある場合には、この部分からの前記散乱中性子の多くは、低エネルギー中性子になる。低エネルギー中性子は、戻って来るのに要する時間が高エネルギー中性子よりも長くなるので、上述の積算値が基準値よりも大きい場合には、検査対象物の内部に水が存在している欠陥部分があると判断できる。ここで、基準値は、検査対象物の内部に水も空洞も存在しない場合に得られる上述の積算値である。
一方、検査対象物の内部に空洞が存在している部分がある場合には、この部分から戻ってくる低エネルギー中性子は少なくなる。したがって、上述の積算値が上記基準値よりも小さい場合には、検査対象物の内部に空洞が存在している欠陥部分があると判断できる。
前記計測装置は、前記入射面における各位置毎に、前記検出数データを生成する。
前記散乱中性子の検出数を計測し、該検出数を時間に対して表した検出数データを生成する、ことを特徴とする非破壊検査方法が提供される。
よって、検査対象物を透過した中性子を検出することなく、検査対象物の内部欠陥の有無を判断できる。
散乱はパルス中性子線(ビーム・粒子)の進行方向の変化であり、透過と反射とでは、被入射物質(検査対象物1)から見た場合に、パルス中性子線の進行方向が、パルス中性子線の入射側の反対側へ出ていく(進行していく)方向と、パルス中性子線の入射側へ出ていく方向とで違う。本願では、散乱の結果として反射した中性子を利用・検出している。
反射とは、一回または複数回の散乱の結果として、中性子の進行方向が入射方向とは反対側になったものである。したがって、反射現象には、散乱現象が基本的にともなっており、散乱現象の結果の特定の場合が反射現象に相当する。詳述すれば、以下の通りである。
散乱とは、中性子源3から検査対象物1へ入射した中性子が、検査対象物1の物質と相互作用することにより、進行方向と速度を変えることを意味する。
反射とは、中性子源3から検査対象物1の表面1aへ入射した中性子が、検査対象物1で散乱することにより、この入射前の当該中性子の位置と同じ側へ表面1aから戻って来ることを意味する。
反射中性子とは、中性子源3から検査対象物1へ入射したパルス中性子線(すなわち、パルス中性子線を構成する多数の中性子)のうち、検査対象物1における散乱(後方散乱)により、この入射前の当該パルス中性子線の位置と同じ側へ表面1aから戻って来た中性子を意味する。
また、中性子源3から検査対象物1へ入射したパルス中性子線のうち、さらに他の一部は、検査対象物1において吸収されずに、検査対象物1を透過して、検査対象物1の、表面1aと反対側の面(図示せず)から検査対象物1の外部へ出ていく。
NI=NR+NA+NP
ただし、ここでは、簡単のため、検査対象物1内において、表面1aと平行な方向に進行していく中性子は検査対象物1において吸収されるとする。すなわち、検査対象物1は、表面1aと平行な方向に無限に延びているとする。
光検出器5bは、入射面5a1の各位置に入射した反射中性子による発光を検出する。
この場合、シンチレータ5aは、通過領域の近傍に(例えば通過領域に隣接して)配置されるので、シンチレータ5aには十分な数の反射中性子が入射する。したがって、シンチレータ5aにより検出した反射中性子の数を時間に対して表した検出数データに基づいて、検査対象物1の内部の欠陥の有無を検査できる。
ここでは、検出数データは、中性子源3が検査対象物1へパルス中性子線を放出し始めた第1時点以降の各計測時点と、該計測時点の検出数とを互いに対応づけたデータである。本願において、各計測時点は、経過時間に関して間を空けることなく互いに連続する微小時間を意味する。各微小時間は、100マイクロ秒より小さい時間(例えば50マイクロ秒)であることが好ましいが、欠陥の検出を妨げない限りで、これに限定されない。
一方、この第2時点以降において、エネルギーが上記設定値以下の反射中性子(例えば熱中性子)の大部分が検出される。
第2時点以降において、検出される反射中性子の大部分は、エネルギーが相対的に低い低エネルギー中性子(例えば熱中性子)になる。中性子は水と反応しやすいので、検査対象物1の内部に水が存在している部分がある場合には、この部分からの反射中性子の多くは、低エネルギー中性子になる。したがって、上述の積算値が上述の基準値よりも大きい場合には、検査対象物1の内部に水が存在している欠陥部分があると判断できる。
一方、検査対象物1の内部に空洞が存在する場合について、中性子は、空洞によってはエネルギーを失い難い。したがって、第2時点以降の反射中性子(例えば低エネルギーの熱中性子)の検出数の積算値が、上述の基準値よりも小さい場合には、その位置に空洞が存在すると判断できる。
図5は、シミュレーションにより求めた反射中性子の数の積算値を示す。図5(A)〜(F)において、横軸と縦軸は、パルス中性子線の方向と直交する座標軸である。この例では、図5(A)〜(F)に示す2次元の座標範囲の各領域に示す数値または数値範囲は、検査対象物1へ中性子源3から放射状にパルス中性子線を入射させた場合、その領域内の各位置で検出される反射中性子の数の積算値またはその範囲を示す。各数値範囲は、欠陥が無い検査対象物1へパルス中性子線を入射させた場合の積算値を1として規格化されている。
図5(D)〜(F)では、各領域に示す数値または数値範囲は、中性子源3から検査対象物1にパルス中性子線を第1時点で入射させることにより第2時点以降に生じた反射中性子の数の積算値またはその範囲である。
図5(A)〜(F)の2次元の座標範囲の中央は、検査対象物1へ入射するパルス中性子線の位置に相当する。
図5(B)(E)は、検査対象物1における、水が存在する欠陥部分へパルス中性子線を入射させた場合を示す。図5(B)(E)では、その中央の領域では積算値が、同じ図の他の領域の積算値および図5(A)(D)の各位置での積算値よりも大きくなっている。したがって、図5(B)(E)の中央の領域には、水が存在する欠陥部分があることが分かる。
図5(C)(F)は、検査対象物1における、空洞が存在する欠陥部分へパルス中性子線を入射させた場合を示す。図5(C)(F)では、その中央の領域では積算値が、同じ図の他の領域の積算値および図5(A)(D)の積算値よりも小さくなっている。したがって、図5(C)(F)の中央の領域には、空洞が存在する欠陥部分があることが分かる。
図6(A)〜(C)では、これらの図の2次元の座標範囲における各領域に示す数値または数値範囲は、中性子源3から検査対象物1にパルス中性子線を第1時点で入射させることにより第1時点以降に生じた反射中性子のうち、エネルギーが2×10−1eV以下の反射中性子の数の積算値またはその範囲である。
図6(D)〜(F)では、これらの図の2次元の座標範囲における各領域に示す数値または数値範囲は、中性子源3から検査対象物1にパルス中性子線を第1時点で入射させることにより第2時点以降に生じた反射中性子の数の積算値またはその範囲である。
各数値範囲は、欠陥が無い検査対象物1へパルス中性子線を入射させた場合の積算値を1として規格化されている。
図6(B)(E)は、その中央部から左側に少しずれた領域での積算値が、同じ図の他の領域の積算値および図6(A)(D)の各位置での積算値よりも大きくなっている。したがって、図6(B)(E)の中央部から左側に少しずれた領域に、水が存在する欠陥部分があることが分かる。
図6(C)(F)では、その中央部から左側にずれた領域での積算値が、同じ図の他の領域の積算値および図6(A)(D)の積算値よりも小さくなっている。したがって、図6(C)(F)の中央部から左側にずれた領域に、空洞が存在する欠陥部分があることが分かる。
図7A〜図7Cは、上述した非破壊検査装置10によるパルス中性子線と検査対象物1とシンチレータ5aとの位置関係を示す。図7A〜図7Cでは、シンチレータ5aは、中性子源3から検査対象物1へのパルス中性子線の通過領域に隣接するように配置されている。図7A〜図7Cでは、3つのコンクリート製ブロック2により検査対象物1が構成されている。各ブロック2は、30cmの厚みを有する。図7Aでは、欠陥の無い検査対象物1をブロック2により形成し、図7Bでは、内部に空洞がある検査対象物1をブロック2により形成し、図7Cでは、水を充填したポリタンクを2つのブロック2で挟むことにより、内部に水の部分がある検査対象物1をブロック2で形成している。
図8(A)は、欠陥が無い図7Aの場合であるので、図8(A)における各位置での積算値は同じ値の1.0になっている。
図8(B)は、空洞がある図7Bの場合であるので、図8(B)では各領域の積算値が、図8(A)の各領域での積算値以下になっている。
図8(C)は、水の部分がある図7Cの場合であるので、図8(C)では各領域の積算値が、図8(A)の各位置での積算値以上になっている。
図9Aは、実施例1における非破壊検査装置10の中性子源3およびシンチレータ5aと検査対象物1との位置関係を示す。図9Aのように、検査対象物1として2つの直方体のコンクリート製ブロック2を用意した。
(場合1)空間6に何も配置しない。
(場合2)空間6を、コンクリート製ブロックで完全に埋める。このブロックのX軸方向とY軸方向とZ軸方向の寸法は、それぞれ300mm、300mm、100mmである。
(場合3)空間6に、水が充填されたポリタンクを配置する。このポリタンクのX軸方向とY軸方向とZ軸方向の寸法は、それぞれ300mm、300mm、75mm〜80mm程度である。
(場合4)空間6を、アクリル製ブロックで完全に埋める。このブロックのX軸方向とY軸方向とZ軸方向の寸法は、それぞれ300mm、300mm、100mmである。
内部に水が溜まっているコンクリートの場合3では、場合2よりも、積算値が大きくなっている。
したがって、計測した積算値に基づいて、コンクリートの内部における空洞や水の存在を検出できることが分かる。
図10Aは、実施例2における非破壊検査装置10の中性子源3およびシンチレータ5aと検査対象物1との位置関係を示す。図10Aのように、検査対象物1として2つの直方体のコンクリート製ブロック2を用意した。
図11Aは、実施例3における非破壊検査装置10の中性子源3および中性子検出器5aと検査対象物1との位置関係を示す。検査対象物1は、図11Aのように6つの直方体のコンクリート製ブロック2を組み合わせたものである。検査対象物1の内部に空間6を形成した。この空間6を空洞とし、あるいは、この空間6に、空間6とほぼ同じ寸法の直方体のアクリル製ブロック4(後述の図12を参照)を配置した。このような検査対象物1へパルス中性子線を中性子源3から入射させて、その反射中性子を中性子検出装置5により検出して、第2時点以降における反射中性子の検出数を積算した積算値を計測した。
図11Aにおいて、空間6にアクリル製ブロック4を配置し、Z軸方向の中間に配置したブロック2とブロック4のみの位置をY軸方向に変えて計測を行った。図12は、その計測結果を示す。図12(A)〜(E)において、上側部分は、空間6にブロック4を配置した場合の図11Aの部分拡大図であり、各ブロック2とブロック4を示す。図12(A)〜(E)において、下側部分は、Y軸方向の位置が上側部分と整合した2次元座標範囲の各領域A〜Hを示し、右端のA〜Hの数値範囲は、各領域A〜Hにおける積算値の範囲を示す。
なお、6つのブロック2をY軸方向に2列に且つX軸方向に3列に整列させることにより、検査対象物1の内部に空間6もアクリル製ブロック4も存在しない状態で計測された積算値を1として、図12(A)〜(E)および後述の図13(A)〜(E)の積算値は規格化されている。
図11Aにおいて、空間6を空洞に保って、Z軸方向の中間に配置したブロック2のみの位置をY軸方向に変えて計測を行った。図13は、その計測結果を示す。図13(A)〜(E)において、上側部分は、図11Aの部分拡大図であり、各ブロック2と空間6を示す。図13(A)〜(E)において、下側部分は、Y軸方向の位置が上側部分と整合した2次元座標範囲の各領域A〜Hを示し、右端のA〜Hの数値範囲は、各領域A〜Hにおける積算値の範囲を示す。
図14〜図17は、非破壊検査装置10の実施例4を示す。図14は、非破壊検査装置10の中性子源3および中性子検出器5aと検査対象物1との位置関係を示す。図14において、検査対象物1は、5つのコンクリート製ブロック2と、1つのアクリル製ブロック4(または空洞)とを組み合わせたものである。各コンクリート製ブロック2は、図14において、XYZ座標系は検査対象物1の寸法を表すためのものである。図14では、中性子検出器5aとして上述のPSDを用いた。
図14において、各コンクリート製ブロック2のX軸方向とY軸方向とZ軸方向の寸法は、それぞれ300mm、300mm、60mmであり、アクリル製ブロック4のX軸方向とY軸方向とZ軸方向の寸法(図11Aを参照)は、それぞれ300mm、300mm、55mmである。図14のように、これらのブロックをその厚み方向に隙間なく配列し、アクリル製ブロック4のZ軸方向位置(すなわち検査対象物1の表面1aからの深さ)を変え、アクリル製ブロック4の深さ毎に、中性子源3からZ軸方向に検査対象物1へパルス中性子線を放出し、PSD5aを用いて、上述の検出数を計測した。
図15において、三角形、正方形、黒丸、バツ印、白丸および十字印は、それぞれ、アクリル製ブロック4の深さが、0mm、60mm、120mm、180mm、240mm、および300mmの場合の検出数を示す。
図14において、アクリル製ブロック4を、これと同じ寸法の空洞に置き換えて実験を行った。すなわち、空洞のZ軸方向位置(すなわち検査対象物1の表面1aからの深さ)を変えて空洞の深さ毎に、中性子源3からZ軸方向に検査対象物1へパルス中性子線を放出し、PSD5aを用いて、上述の検出数を計測した。
図19A〜図19Dは、実施例5における非破壊検査装置10の中性子源3および中性子検出器5aと検査対象物1との位置関係を示す。図19A〜図19Dの例では、中性子検出装置5は、中性子検出器5aとしての上述したPSD5aと位置検出部5cとを有する。検査対象物1は、図19A〜図19Dのように複数の直方体のコンクリート製ブロック2を組み合わせたものである。検査対象物1の内部に空間6を形成した。この空間6を図19Aと図19Bのように空洞とし、あるいは、この空間6に、図19Cと図19Dのように空間6とほぼ同じ寸法の直方体のアクリル製ブロック4を配置した。このような検査対象物1へパルス中性子線を中性子源3から入射させて、y軸方向において検査対象物1の中央から幅100mm範囲で反射中性子の検出数を計測した。
図19Aにおいて、空間6のX軸方向とY軸方向とZ軸方向の寸法は、それぞれ300mm、50mm、60mmである。図19Bにおいて、空間6のX軸方向とY軸方向とZ軸方向の寸法は、それぞれ300mm、100mm、60mmである。図19Cにおいて、アクリル製ブロック4のX軸方向とY軸方向とZ軸方向の寸法は、それぞれ300mm、50mm、55mmである。図19Dにおいて、アクリル製ブロック4のX軸方向とY軸方向とZ軸方向の寸法は、それぞれ300mm、100mm、55mmである。
また、検査対象物1の内部においてアクリル(水)や空洞の存在を検出するための積算値は、図19A〜図19Dの場合の間で検出数に差が生じている時間範囲Tにわたって検出数を積算した値であってよい。例えば、この時間範囲Tは、図20の横軸において0.03ミリ秒の時点から0.10ミリ秒の時点までの範囲であってよい。ただし、この時間範囲Tは、これに限定されず、別の例では、0.03ミリ秒の時点から0.15ミリ秒の時点までの範囲であってもよい。
上述において、演算装置9を省略してもよい。この場合、計測装置7は、第1時点以降の各計測時点と該計測時点の検出数とを互いに対応づけた検出数データを出力する。出力された検出数データは、記憶装置に記憶されてよい。入射面5a1の各位置毎(例えば光検出素子5b2毎)の検出数データは、計測装置7から直接または上記の記憶装置を介して、ディスプレイに表示され、または、用紙に印刷されてよい。検出数データは、検査対象物1の内部における欠陥の有無に応じて変化するので、人は、表示または印刷された検出数データを見て、検査対象物1の内部における欠陥の有無を判断できる。なお、他の実施形態1では、上述のデータ処理装置11は省略されてもよい。
計測装置7が生成する検出数データは、上述の第2時点以降の検出数の積算値(合計値)であってもよい。この場合、上述の演算装置9は省略される。計測装置7が生成する光検出素子5b2毎の積算値は、上述と同様に、人が確認できるように表示または印刷されてよい。
図2Aまたは図2Bの構成において、光ファイバー5b1を省略して、各光検出素子5b2を、シンチレータ5aに直接取り付けてもよい。この場合、シンチレータ5aにおいて入射面5a1と反対側の面の各位置に光検出素子5b2を取り付けてよい。
中性子源3は、パルス中性子線を検査対象物1に照射できるものであればよい。例えば、図2Aと図2Bでは複数の加速器3b1,3b2が用いているが、中性子発生に十分な陽子のエネルギーが得られれば、単体の加速器を用いてもよい。
中性子検出装置5による反射中性子の検出に基づいて計測装置7が検出数データを生成できれば、中性子検出装置5の構成は、上述に限定されない。すなわち、中性子検出装置5は、中性子検出器5aとして上述のシンチレータまたはPSDを用いたものであってもよいし、他の構成を有していてもよい。なお、図11Bの中性子検出器5aは、この図と構成が異なる気体比例計測管であってもよい。
Claims (10)
- 検査対象物の表面へパルス中性子線を入射させ、これにより検査対象物において散乱して戻って来た散乱中性子を検出し、前記散乱中性子の検出数を計測し、該検出数を時間に対して表した検出数データを生成し、前記検出数データに基づいて、中性子源が検査対象物へパルス中性子線を放出した第1時点から設定時間だけ経過した第2時点以降の検出数の積算値を求め、該積算値に基づいて検査対象物の内部における欠陥の有無を非破壊的に検査する方法であって、
前記第2時点は、
第1時点で検査対象物に放出されたパルス中性子線に含まれている中性子であって検査対象物で散乱して戻ってくる散乱中性子のうち、設定値以下のエネルギーを有する散乱中性子の所定の割合以上が、前記第2時点以降において生じるように設定されている、ことを特徴とする非破壊検査方法。 - 検査対象物の表面へパルス中性子線を入射させ、これにより検査対象物において散乱して戻って来た散乱中性子を検出し、前記散乱中性子の検出数を計測し、該検出数を時間に対して表した検出数データを生成し、前記検出数データに基づいて、中性子源が検査対象物へパルス中性子線を放出した第1時点から設定時間だけ経過した第2時点以降の検出数の積算値を求め、該積算値に基づいて検査対象物の内部における欠陥の有無を非破壊的に検査する方法であって、
前記第2時点は、
第1時点で検査対象物に放出されたパルス中性子線に含まれている中性子であって検査対象物で散乱して戻ってくる散乱中性子のうち、設定値よりも大きいエネルギーを有する散乱中性子の所定の割合以上が、第1時点から第2時点までの期間において生じるように設定されている、ことを特徴とする非破壊検査方法。 - 前記所定の割合は、10%〜98%の範囲内の一定割合である、請求項1に記載の非破壊検査方法。
- 前記所定の割合は、50%〜98%の範囲内の一定割合である、請求項2に記載の非破壊検査方法。
- 検査対象物の内部における前記欠陥の有無は、空洞の有無であるか、又は、水の有無である、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の非破壊検査方法。
- 前記積算値が基準値よりも小さい場合に、検査対象物の内部に空洞が存在していると判断し、又は、前記積算値が基準値よりも大きい場合に、検査対象物の内部に水が存在していると判断する、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の非破壊検査方法。
- パルス中性子線の放出を、第2時点よりも前に終了させる、ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の非破壊検査方法。
- 第2時点を、実験的に又はシミュレーションにより設定する、ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の非破壊検査方法。
- 検査対象物の表面へパルス中性子線を放出する中性子源と、
検査対象物において散乱して戻って来た散乱中性子を検出する中性子検出装置と、
中性子検出装置による前記散乱中性子の検出数を計測し、該検出数を時間に対して表した検出数データを生成する計測装置と、
前記検出数データに基づいて、前記中性子源が検査対象物へパルス中性子線を放出した第1時点から設定時間だけ経過した第2時点以降の検出数の積算値を求める演算装置と、を備え、
前記第2時点は、
第1時点で検査対象物に放出されたパルス中性子線に含まれている中性子であって検査対象物で散乱して戻ってくる散乱中性子のうち、設定値以下のエネルギーを有する散乱中性子の所定の割合以上が、前記第2時点以降において生じるように設定されている、ことを特徴とする非破壊検査装置。 - 検査対象物の表面へパルス中性子線を放出する中性子源と、
検査対象物において散乱して戻って来た散乱中性子を検出する中性子検出装置と、
中性子検出装置による前記散乱中性子の検出数を計測し、該検出数を時間に対して表した検出数データを生成する計測装置と、
前記検出数データに基づいて、前記中性子源が検査対象物へパルス中性子線を放出した第1時点から設定時間だけ経過した第2時点以降の検出数の積算値を求める演算装置と、を備え、
前記第2時点は、
第1時点で検査対象物に放出されたパルス中性子線に含まれている中性子であって検査対象物で散乱して戻ってくる散乱中性子のうち、設定値よりも大きいエネルギーを有する散乱中性子の所定の割合以上が、第1時点から第2時点までの期間において生じるように設定されている、ことを特徴とする非破壊検査装置。
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