JP7166121B2 - 中性子検出ユニット、非破壊検査システム、中性子用コリメータ - Google Patents

Description

本発明は、中性子を用いて被検査物の非破壊検査を行うための中性子検出ユニット、非破壊検査システム、中性子用コリメータに関するものである。

従来、コンクリート等の被検査物に対して高い透過性を有する中性子等の放射線を用いることで、被検査物を破壊することなく内部構造を解析する事が可能な非破壊検査が行われている。

非破壊検査において被検査物の欠陥部分（例えば、水、空隙等）の位置等の情報を正確に知るためには高い空間分解能が必要であり、高い空間分解能を実現するには検出器に入射する中性子の平行度を確保する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１では、空間分解能を向上させるために中性子源（体積中性子源）と検出部（画像検出装置）との間にコリメータ（マルチピンホールコリメータ）を設けた構成が示されている。当該特許文献１のコリメータは、中性子源と被検査物（観測対象物）との間に配置されることで、被検査物に照射される中性子の方向を規制して平行度を確保している。

特開２０１４－８１２０９号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、被検査物に照射される前の中性子を規制しており、被検査物に照射される中性子の平行度は確保されるが、被検査物を通過し検出器に入射する中性子の平行度は必ずしも確保されないという問題がある。

特に高速中性子を被検査物に照射し、当該被検査物から出てくる熱中性子を検出する非破壊検査では、熱中性子は被検査物から散乱して出てくるため、被検査物に照射される高速中性子をコリメータにより規制しても熱中性子の平行度を得ることはできない。

このように検出器に入射される中性子の平行度が得られなければ、検出器におけるＳ／Ｎ比（信号雑音比）及び空間分解能は低下し検査の精度を得られない。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、中性子を用いた非破壊検査において、中性子検出のＳ／Ｎ比及び空間分解能を向上させることができ、より高精度な検査を実現することができる中性子検出ユニット、非破壊検査システム、中性子用コリメータを提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係る中性子検出ユニットは、同一方向に延びる複数の貫通路が形成され、当該貫通路を形成する壁材が高速中性子を透過し熱中性子を吸収する素材からなるコリメータと、被検査物からの熱中性子を検出可能な中性子検出部と、を備え、前記コリメータは、前記貫通路が前記中性子検出部の検出面と垂直をなすように当該検出面と当接して、又は当該検出面と前記貫通路の通路長さよりも短い間隔を有して配置されている。

上述の中性子検出ユニットにおいて、前記壁材の素材は少なくともカドミウム又はボロンを含んでもよい。

また、上述の中性子検出ユニットにおいて、前記中性子検出部は、前記検出面の縦横に複数の検出素子が並んでおり、前記コリメータは、前記貫通路が前記検出面と対向する面において縦横に複数形成されていてもよい。

また、上述の中性子検出ユニットにおいて、前記コリメータの壁材は、前記貫通路が断面円形をなすよう形成されていてもよい。

又は、上述の中性子検出ユニットにおいて、前記コリメータの壁材は、前記貫通路がハニカム構造をなすよう形成されていてもよい。

又は、上述の中性子検出ユニットにおいて、前記コリメータの壁材は、前記貫通路の断面形状を前記中性子検出部の検出素子の検出面と同形とし、検出素子の配列に対応した配列となるよう形成されていてもよい。

上記した目的を達成するために、本発明に係る非破壊検査システムでは、上述の中性子検出ユニットと、高速中性子を照射可能な中性子源と、を備え、前記中性子検出ユニットは、前記中性子源と被検査物との間に配置され、前記検出面を被検査物側に指向する。

上記非破壊検査システムは、さらに、前記検出面の向きを変更可能に前記中性子検出ユニットを支持する支持部を備えてもよい。

上記した目的を達成するために、本発明に係る中性子用コリメータは、同一方向に延びる複数の貫通路が形成され、当該貫通路を形成する壁材が高速中性子を透過し熱中性子を吸収する素材からなる。

上記手段を用いる本発明によれば、中性子を用いた非破壊検査において、中性子検出のＳ／Ｎ比及び空間分解能を向上させることができ、より高精度な検査を実現することができる。

本実施形態に係る非破壊検査システムの概略構成図である。 本実施形態に係る中性子検出ユニットの分解斜視図である。 中性子検出ユニット部分の拡大図である。 （ａ）図１の上面図、（ｂ）図１の状態から中性子検出ユニットを回動させた状態の上面図である。 中性子検出ユニットの（ａ）第１変形例、（ｂ）第２変形例、（ｃ）第３変形例を示す分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１には本実施形態に係る非破壊検査システムの概略構成図、図２には中性子検出ユニットの分解斜視図、図３には中性子検出ユニット部分の拡大図がそれぞれ示されており、以下同図に基づき非破壊検査システムの構成について説明する。

本実施形態の非破壊検査システム１は、小型加速器中性子源２と、中性子検出ユニット３と、中性子検出ユニット３を支持する支持部４とを有している。また、検査対象である被検査物Ｏは、小型加速器中性子源２に対して中性子検出ユニット３より奥側に位置している。本実施形態における被検査物Ｏはコンクリートブロックとする。

小型加速器中性子源２は、中性子を発生させて照射する中性子源であり、電源部１０、線形加速器１１、ターゲットステーション１２、照射部１３とを有している。

詳しくは、電源部１０は、加速器に電力を供給する高圧電源である。電源部１０の高圧電源は、少なくとも陽子を中性子発生に必要なエネルギーまで加速可能な発電性能を備え、電圧変動が少ないものが好ましい。

線形加速器１１は、イオン源１１ａを有し、当該イオン源１１ａから円筒状の加速器１１ｂが延びて、ターゲットステーション１２に接続されている。

ターゲットステーション１２は、遮蔽体により覆われており、内部には図示しない中性子発生用ターゲットが設けられている。遮蔽体は中性子やガンマ線を遮蔽する素材からなり、例えばホウ素入りポリエチレンや鉛等を用いて形成されている。ターゲットは陽子と衝突して中性子を生じるものであり、例えばベリリウム（Ｂｅ）が挙げられる。

照射部１３は、例えばポリエチレン等の遮蔽材により形成され、ターゲットから発生した高速中性子Ｎｆを被検査物Ｏに向けて照射する部分である。

中性子検出ユニット３は、中性子検出部２０とコリメータ３０から構成されている。

図２に示すように、中性子検出部２０は、直方体の検出部本体２１の一面に正方形の検出モジュール２２の４つが配置され一つの検出器アレイ２３として構成されている。

検出モジュール２２は、正方形をなす検出素子が検出面上の縦横に複数隙間なく配列されて形成されている。当該検出素子は、高速中性子に対する感度は有さず、熱中性子に対する感度を有している。検出部本体２１内には、電源や、検出素子の露出時間や露出タイミングを制御する制御部、各検出素子の検出信号を受信して検出面内座標や中性子強度を算出する信号処理部が設けられている。つまり、中性子検出部２０は、各検出素子が検出した熱中性子の情報から被検査物の内部構造を解析可能である。なお、本実施形態における中性子検出部２０は４つの検出モジュール２２から検出器アレイ２３を構成しているが、中性子検出部を構成する検出モジュールの数はこれに限られず、例えば一つでもよい。

コリメータ３０は、筐体３１内に同一方向に延びる複数の貫通路Ｐが形成されている。詳しくは、筐体３１は立方体をなし、貫通路Ｐは壁材により断面が円形の管状をなしている。図２に示す本実施形態のコリメータ３０は、貫通路Ｐの開口が並んでいる開口面において一列８個の貫通路Ｐが縦横に配列されている。そして、筐体３１及び貫通路Ｐを形成する壁材は高速中性子線を透過し、熱中性子線を吸収する素材からなることで、貫通路Ｐを通過する熱中性子を制限する。具体的に当該壁材の素材としては、例えばカドミウム（Ｃｄ）又はホウ素（Ｂ）、ガドリニウム(Ｇｄ)、サマリウム(Ｓｍ)、ユウロピウム(Ｅｕ)、ジスプロシウム(Ｄｙ)が挙げられる。

また、貫通路Ｐは、少なくとも開口径ｒが通路長さＬよりも短く、中性子検出部２０の検出面への入射角（受容角）が略垂直とするためには、開口径ｒと通路長さとの比（ｒ：Ｌ）が１：５０程度が好ましい。

そして、コリメータ３０は、貫通路Ｐが中性子検出部２０の検出面に対して略垂直をなすように当該検出面に当接して中性子検出部２０に取り付けられている。なお、コリメータ３０は、中性子検出部２０と当接していることが望ましいが、近傍に位置してもよい。その場合、コリメータ３０と中性子検出部２０との間は遮蔽物質で遮蔽する必要がある。また、コリメータ３０と中性子検出部２０との間隔は、例えば中性子検出部２０の検出面から貫通路Ｐの通路長さＬよりも短い間隔を有して配置されていればよい。

図１に戻り、中性子検出ユニット３は支持部４に支持されている。支持部４は、ターゲットステーション１２から高速中性子線Ｎｆの照射方向に延びており、その先端には水平方向に回動する回動部４ａが設けられている。中性子検出ユニット３は当該回動部４ａを介して支持部４上に設けられており、当該回動部４ａが回動することで中性子検出部２０の検出面の向きを変更可能である。

ここで図３、４を参照すると、図３には中性子検出ユニット部分を示す拡大図、図４には（ａ）図１の上面図、（ｂ）図１の状態から中性子検出ユニットを回動させた状態の上面図が示されており、以下これらの図に基づき、本実施形態の作用及び効果を説明する。

非破壊検査システム１は、例えば、線形加速器１１で生成されたエネルギー７ＭｅＶ程度の陽子をターゲットステーション１２にあるベリリウムに衝突させて、最高エネルギー５ＭｅＶ程度の高速中性子を生成し、照射部１３を通じて高速中性子線Ｎｆを出力する。

図３に示すように、高速中性子線Ｎｆは中性子検出ユニット３を透過し、被検査物Ｏに照射される。被検査物Ｏの内部を高速中性子線Ｎｆが通ると、熱中性子線Ｎｓが散乱する。特に被検査物Ｏ内の欠陥部Ｄが水等のコンクリートよりも軽元素が存在する場合は、高速中性子Ｎｆが軽元素にエネルギーを奪われて被検査物Ｏの他の部分よりも相対的に多くの熱中性子が生じる。一方、欠陥部Ｄが空隙である場合は、その部分では熱中性子Ｎｓは生じないため相対的に散乱しないため、被検査物Ｏの他の部分よりも相対的に熱中性子の量（強度）が少なくなる。

コリメータ３０は、被検査物Ｏから高速中性子Ｎｆの照射方向と逆方向に散乱（いわゆる後方散乱）してきた熱中性子Ｎｓを規制し、中性子検出部２０の検出面に略垂直に指向する熱中性子線Ｎｓのみを選択的に通過させる。例えば、図３において、コリメータ３０内では、欠陥部Ｄから後方散乱した熱中性子のうち検出面に対して略垂直に入射する熱中性子Ｎｓ１のみが貫通路Ｐを通過する。一方、貫通路の通路軸に対して角度を持ってコリメータ３０に入射する熱中性子Ｎｓ２、Ｎｓ３は壁材により吸収される。

このように、被検査物Ｏと中性子検出部２０との間にてコリメータ３０があることで、被検査物Ｏから散乱して出てくる熱中性子Ｎｓは規制され、検出面に対して略垂直に指向した熱中性子のみが入射する。つまり、熱中性子Ｎｓの平行度が確保され、検出面に対して正対する位置の情報を正確に検出することができる。特に、本実施形態のコリメータ３０は貫通路Ｐの開口部が並ぶ開口面と中性子検出部２０の検出面とが当接して取り付けられていることで、コリメータ３０を通過した熱中性子Ｎｓはそのまま検出面に入射することなり、熱中性子Ｎｓの平行度をより確実に確保することができる。

これらのことから本実施形態における中性子検出ユニット３及び当該中性子検出ユニット３を用いた非破壊検査システム１によれば、中性子検出のＳ／Ｎ比及び空間分解能を向上させることができ、より高精度な検査を実現することができる。

また、コリメータ３０は、壁材の素材としてカドミウム又はボロンを用いることで、高速中性子Ｎｆを透過して熱中性子Ｎｓを吸収する構造を容易に形成することができる。

また、中性子検出部２０の検出素子は検出面の縦横に複数並び、コリメータ３０も貫通路Ｐが縦横に複数形成されていることで、被検査物Ｏの内部情報を少なくとも２次元的に解析することができる。

また、本実施形態のコリメータ３０のように貫通路を断面円形とすることで、コリメータを容易に成形することができる。

さらに、中性子検出ユニット３は支持部４の回動部４ａにより支持されていることで、検出面の向きを水平方向に変更可能であり、被検査物Ｏの形状や検査箇所に応じた向きで検査を行うことができる。

例えば図４（ａ）に示すように、高速中性子Ｎｆの照射軸Ａと直交する姿勢で被検査物Ｏが配置されている場合は、コリメータ３０の貫通路Ｐの通路軸も照射軸Ａと平行をなすように中性子検出ユニット３を位置決めすればよい。

一方、図４（ｂ）に示すように、被検査物Ｏが、高速中性子Ｎｆの照射軸Ａに対して斜めの姿勢で配置されている場合は、回動部４ａにより中性子検出ユニット３を右方向（図４（ｂ）で視て時計回り方向）に回動させて位置決めする。これにより、被検査物Ｏの表面とコリメータ３０の先端開口面及び中性子検出部２０の検出面とを一定の間隔で正対させることができる。従って、被検査物の形状や姿勢に応じて最適な向きに検出面を指向させることができ、被検査物の形状によらず、高精度な検査を行うことができる。

以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、被検査物Ｏをコンクリートブロックとして説明したが、被検査物はこれに限られるものではない。例えば、中性子源が移動可能であれば橋脚、橋又は道路の床板、トンネルの壁、建造物の柱や床等を被検査物とすることも可能である。また被検査物Ｏの形状も立方体に限られず、本発明は多様な形状の被検査物に適用可能である。

また、上記実施形態の中性子検出ユニット３は回動部４ａによりは水平方向に回動可能なだけであるが、中性子検出ユニットの検出面の向きの変更はこれに限られるものではない。例えば中性子検出ユニットを鉛直方向に回動可能な構成としたり、ロボットアームで支持することで６軸方向に検出面の向きを変更可能な構成としてもよい。

また、上記実施形態におけるコリメータ３０の貫通路Ｐは断面円形で開口面にて縦横に複数並んで配列されているが、貫通路の寸法、断面形状、貫通路の個数や配列はこれに限られない。

図５には、中性子検出ユニットの（ａ）第１変形例、（ｂ）第２変形例、（ｃ）第３変形例の分解斜視図が示されており、以下同図に基づき中性子検出ユニットの変形例について説明する。なお、中性子検出部については上記実施形態と同じであるため、同一の符号を付して説明を省略する。

図５（ａ）に示す第１変形例の中性子検出ユニット３ａは、コリメータ４０の貫通路Ｐａが上記実施形態の貫通路Ｐと同様に断面円形状であるが、径が大きい。また貫通路Ｐａは検出モジュールに対応して４つのみ形成されている。貫通路の長さＬを十分に確保できれば、このような構成としても熱中性子の平行度を向上させることができる。また、コリメータ４０の構造がシンプルになるため加工コストを削減することができる。

図５（ｂ）に示す第２変形例の中性子検出ユニット３ｂは、コリメータ５０の壁材により貫通路Ｐｂが断面六角形状であり、各貫通路Ｐｂが隙間なく配列されたいわゆるハニカム構造をなしている。これにより、中性子検出ユニット３ｂの強度を維持しつつ、開口面積を最大化することができる。

図５（ｃ）に示す第３変形例の中性子検出ユニット３ｃは、コリメータ６０の壁材により貫通路Ｐｃの断面形状が検出素子の検出面と同形の矩形状をなしている。また、コリメータ６０の開口面における貫通路Ｐｃの配列や壁材の厚み等も、検出器アレイ２３の配列に沿うように形成されており、検出素子１つに対して貫通路Ｐｃが１つ対応している。このような構成により、コリメータ６０の壁材が検出素子の検出面を遮ることがないため、より高精度な検査を実現することができる。

１ 非破壊検査システム
２ 小型加速器中性子源
３ 中性子検出ユニット
１０ 電源部
１１ 線形加速器
１２ ターゲットステーション
１３ 照射部
２０ 中性子検出部
２１ 検出部本体
２２ 検出モジュール
２３ 検出器アレイ
３０、４０、５０、６０ コリメータ
Ｏ 被検査物
Ｐ 貫通路

Claims (8)

1. 中性子検出ユニットと、前記中性子検出ユニットを回動可能に支持する支持部とを備える非破壊検査システムであって、
   前記中性子検出ユニットは、
   同一方向に延びる複数の貫通路が形成され、当該貫通路を形成する壁材が高速中性子を透過し熱中性子を吸収する素材からなるコリメータと、
   被検査物からの熱中性子を検出可能な中性子検出部と、を備え、
   前記コリメータは、前記貫通路が前記中性子検出部の検出面と垂直をなすように当該検出面と当接して、又は当該検出面と前記貫通路の通路長さよりも短い間隔を有して配置されており、
   前記コリメータは、前記中性子検出部に取り付けられており、
   前記支持部は、前記コリメータと前記中性子検出部とを一体として前記高速中性子の照射方向と異なる方向に回動可能である非破壊検査システム。
2. 前記壁材の素材は少なくともカドミウム又はボロンを含む請求項１に記載の非破壊検査システム。
3. 前記中性子検出部は、前記検出面の縦横に複数の検出素子が並んでおり、
   前記コリメータは、前記貫通路が前記検出面と対向する面において縦横に複数形成されている請求項１又は２に記載の非破壊検査システム。
4. 前記コリメータの壁材は、前記貫通路が断面円形をなすよう形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の非破壊検査システム。
5. 前記コリメータの壁材は、前記貫通路がハニカム構造をなすよう形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の非破壊検査システム。
6. 前記コリメータの壁材は、前記貫通路の断面形状を前記中性子検出部の検出素子の検出面と同形とし、検出素子の配列に対応した配列となるよう形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の非破壊検査システム。
7. 高速中性子を照射可能な中性子源をさらに備え、
   前記中性子検出ユニットは、前記中性子源と前記被検査物との間に配置され、前記検出面を前記被検査物側に指向する請求項１から６のいずれか一項に記載の非破壊検査システム。
8. 前記支持部は、前記検出面の向きを変更可能に回動可能である請求項１から７のいずれか一項に記載の非破壊検査システム。

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