JPH0949809A

JPH0949809A - メスバウアー分光測定装置及び測定方法

Info

Publication number: JPH0949809A
Application number: JP7219715A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyamoto; 宏宮本; Takuichi Imanaka; 拓一今中; Shigeyuki Matsubara; 重行松原
Original assignee: HIHAKAI KENSA KK
Current assignee: HIHAKAI KENSA KK
Priority date: 1995-08-04
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 1997-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】原子力発電施設等、種々のエネルギーレベル
を有する放射線環境下において使用される鋼材の物性を
測定するに適したメスバウアー分光測定装置及び測定方
法を提供する。【解決手段】鋼材標本Ｓにガンマ線を照射する⁵⁷Ｃｏ
線源２と、前記標本Ｓにより共鳴吸収されたガンマ線を
検出するためのガンマ線検出器５とを備え、メスバウア
ー分光法によりメスバウアースペクトルを得る。ガンマ
線検出器５の検出部がＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）
を備えることを特徴とする。ＣｄＴｅはエネルギー分解
能が２．８ｋｅＶと小さく、ノイズとなる放射線をカウ
ントし難いので、明確なメスバウアースペクトルを得る
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子力発電施設
等、種々のエネルギーレベルを有する放射線環境下にお
いて使用される二相ステンレス鋼製パイプ等の熱脆化を
測定するに適したメスバウアー分光測定装置及び測定方
法に関するものである。さらに詳しくは、鋼材標本にガ
ンマ線を照射する⁵⁷Ｃｏ線源と、前記標本により共鳴吸
収されたガンマ線を検出するためのガンマ線検出器とを
備え、メスバウアー分光法によりメスバウアースペクト
ルを得るメスバウアー分光測定装置及びその測定方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、メスバウアー分光測定装置におい
ては、ガンマ線検出器として比例計数管が用いられてい
る。ここでメスバウアー分光法とは、線源を標本に対し
て遠近移動させつつガンマ線を計数することにより、原
子の基底状態と励起状態との間の共鳴現象を観測する方
法をいう。同方法によれば、ガンマ線検出器の分解能を
遙かに越えて、線源のエネルギーを微調整したのと同様
の測定精度を得ることができ、鋼材標本である鉄原子の
各基底順位及び各励起順位間のエネルギー差を求めるこ
とで内部磁場を計測し、鋼材標本の熱脆化の程度などを
調べることができる。

【０００３】一方、比例計数管を用いた従来のメスバウ
アー分光装置では、原子力発電施設等の放射線環境下に
おいて使用される二相ステンレス鋼製パイプ等の熱脆化
を測定することは不可能であった。なぜなら、コンプト
ン散乱により種々のエネルギーレベルを有する放射線が
ノイズとして計数され、基底状態と励起状態との間の共
鳴現象を表示するスペクトルがノイズに埋没するからで
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】かかる問題に鑑みて、
本発明は、原子力発電施設等、種々のエネルギーレベル
を有する放射線環境下において使用される鋼材の物性を
測定するに適したメスバウアー分光測定装置及び測定方
法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の特徴は、鋼材標本にガンマ線を照射する⁵⁷
Ｃｏ線源と、前記標本により共鳴吸収されたガンマ線を
検出するためのガンマ線検出器とを備え、メスバウアー
分光法によりメスバウアースペクトルを得るメスバウア
ー分光測定装置において、前記ガンマ線検出器の検出部
がＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）を備えていることに
ある。

【０００６】「標本により共鳴吸収されたガンマ線を検
出する」とは、標本により一旦共鳴吸収された後に再び
放出されるガンマ線を検出する場合の他に、標本の通過
時に共鳴吸収されたガンマ線を共鳴吸収されなかった残
余のガンマ線により検出する場合が含まれている。すな
わち、いわゆる反射法と透過法とを含む意味である。

【０００７】ここに、図３は、原子力施設の一次冷却系
配管にあらわれる代表的ガンマ線のエネルギー分布の一
例を示すグラフである。鋼材標本の熱脆化等の物性を測
定するには、鋼材に含まれる⁵⁷Ｆｅの基底状態と励起状
態とのエネルギー差を求めればよいことが知られてい
る。よって、本発明では、ガンマ線の線源として、エネ
ルギー１４．４ｋｅＶを有する⁵⁷Ｃｏを使用する。

【０００８】ところが、同図に示す種々のエネルギーレ
ベルを有する放射性物質が、コンプトン散乱により１
４．４ｋｅＶに近いエネルギーを有する放射線を発生さ
せている。しかも、従来の比例計数管ではエネルギー分
解能が数十ｋｅＶ程度あるため、コンプトン散乱による
放射線がノイズとして多数計数されているが故に、明確
なメスバウアースペクトルを得られなかったという事情
を発明者らは発見した。

【０００９】そこで、発明者らは、上述の放射線環境下
において、ガンマ線検出器の検出部にＣｄＴｅを用いた
ところ、ノイズに影響されることなく明確なメスバウア
ースペクトルを得ることに成功した。

【００１０】また、本発明の特徴を換言すれば、上記メ
スバウアー分光装置において、前記ガンマ線検出器の検
出部のエネルギー分解能が２．８ｋｅＶ以下であること
にある。このエネルギー分解能範囲のうち、上限の２．
８ｋｅＶはＣｄＴｅのエネルギー分解能である。なお、
エネルギー分解能の範囲の下限は、例えば形式的には後
述の如くメスバウアースペクトルをもってＦｅの物性を
評価するに最低限必要なエネルギーの幅である５．７６
×１０^-7ｅＶとなる。しかし、このような極々微少な値
の分解能は現実問題として到達し得ない。しかも、メス
バウアー分光法自体が、このような極々微少な分解能を
得られないという前提に立って、ドップラー効果により
分解能を向上させることを目的としている。よって、例
え本発明の下限値が示されていなくても、メスバウアー
分光法という技術的限定を有する限りにおいては、本発
明の外延が不明瞭となることはない。

【００１１】上記本発明を実施するにあたっては、前記
標本により一旦共鳴吸収された後に再び放出されるガン
マ線を検出するように前記ガンマ線検出器を配置し、前
記標本の測定対象部を露出させる貫通孔を備え且つ少な
くともガンマ線を遮蔽するためのマスク体をさらに設け
てもよい。

【００１２】また、ガンマ線ノイズ検出用の他のガンマ
線検出器を設け、前記ガンマ線検出器の出力信号から前
記他のガンマ線検出器の出力信号を相殺するように構成
してもよい。

【００１３】一方、本発明の特徴方法は、鋼材標本に⁵⁷
Ｃｏ線源からガンマ線を照射し、前記標本により共鳴吸
収されたガンマ線をガンマ線検出器により検出し、メス
バウアー分光法によりメスバウアースペクトルを得るメ
スバウアー分光測定方法において、前記ガンマ線検出器
の検出部がＣｄＴｅを備えていることにある。本発明の
さらに他の特徴は以下に示す発明の実施の形態により明
らかになるであろう。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照しながら、
本発明をさらに詳しく説明する。図１（ａ）は、メスバ
ウア分光法のうちいわゆる反射法を用いて本発明を実施
する第一の態様を示す観念図である。本発明に係るメス
バウア分光装置１は、線源２を標本Ｓに対して遠近移動
させる線源駆動部３と、標本Ｓに一旦共鳴吸収された後
に放出されたガンマ線を検出するためのガンマ線検出器
５とを備えている。線源２及びガンマ線検出器５の近傍
には、ガンマ線の照射角度及び入射範囲を限定するため
のコリメータ４ａ，６ａをそれぞれ設けてある。これら
のコリメータ４ａ，６ａの材質には、ノイズとなる特定
放射線をさらにカットするため、鉛の他に銅やアルミニ
ウム等の積層体を用いて構成してある。

【００１５】上記標本Ｓは鋼材であり、本反射法は、特
に二相ステンレス鋼管等厚肉標本の熱脆化を鋼管外部か
ら測定するに適している。図４では、標本である鋼管Ｓ
の測定部Ｔの近傍及び検出器５の近傍における構造につ
いてさらに詳述する。なお、同図では、検出器５を鋼管
Ｓよりも拡大して描いてある。同図（ａ）に示すよう
に、検出器５は、略円筒形の支持体５ｂの内部に極薄板
状の検出部５ａを備え、その先端側の入射部に検出部保
護用のベリリウム窓５ｃを備えている。本発明では線源
２に⁵⁷Ｃｏを使用すると共に、ガンマ線検出器５の検出
部５ａにＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）を用いてい
る。本態様における鋼管Ｓは原子力施設の一次冷却系配
管内であって、同図（ｂ）に示すように、その内部に付
着するクラッドＣからは、上述の如きエネルギー分布の
ガンマ線が放出されている。本態様では、線源より放出
され鋼管Ｓに一旦共鳴吸収された後に再び放出されるガ
ンマ線のみを検出部５ａにより検出するのが目的である
ため、検出器５の周部を先のコリメーター６ａと同様の
素材で形成した遮蔽容器７を設けてある。なお、図示省
略するが、先の線源２もこの遮蔽容器７と同様の遮蔽容
器により外部放射線から遮蔽してある。

【００１６】さらに、鋼管Ｓ内部のクラッドＣより発生
する上述のごとき測定対象外のガンマ線をも遮蔽するた
め、先のコリメーター６ａと同様の材質よりなる板状の
マスク体８を屈曲させて鋼管Ｓの外面に沿わせると共
に、その鋼管Ｓの測定対象部Ｔの部分のみ外部に露出さ
せる小さな貫通孔８ａを設けてある。すなわち、このマ
スク体８の小さな貫通孔８ａから覗く鋼管の一部が測定
対象部Ｔとなり、線源２からのガンマ線の入射及び検出
器５に対するガンマ線の放出を許容する。鋼管Ｓの検査
を行うには、鋼管Ｓの軸方向及び円周方向に対してマス
ク体８を線源２及び検出器５と共に移動させる。

【００１７】図１（ｃ）は、上記メスバウア分光装置の
処理系統を示すブロック図である。ガンマ線検出器５に
より測定された計数信号は、プリアンプ１１及びメイン
アンプ１２により増幅された後、マルチチャンネルアナ
ライザ等のメモリ手段１５に蓄積される。但し、蓄積さ
れる信号は、中間に設けられたバンド選択手段１３によ
り、１４．４ｋｅＶを含むエネルギーバンドが選択され
る。

【００１８】線源駆動部３は、制御部１４からの制御信
号に従って一定のサイクルで線源を往復移動させる。ま
た、制御部１４が発する制御信号は、線源のスピードの
代表値であり、先のガンマ線検出器５によりカウントさ
れた計数値は、線源スピードの代表値と関連づけられて
メモリ手段１５に保存される。

【００１９】上記カウント数は各線源スピードごとにパ
ーソナルコンピュータ等の処理装置１６により集計さ
れ、ＣＲＴ等の表示装置１７により図２の如きメスバウ
アースペクトルが表示される。同スペクトルを表示する
グラフは、横軸を線源の移動速度とし、縦軸を上記ガン
マ線検出器５によるガンマ線のカウント数とするヒスト
グラムである。横軸の＋側が線源を標本に近づけている
状態を示す。

【００２０】線源のドップラー速度Ｖとガンマ線のエネ
ルギーＥとは次式に示す関係があるため、図２の横軸は
ガンマ線のエネルギーを示すこととなる。Ｅ＝ｅ×Ｖ／Ｃ＋ｅここに、ｅはＶ＝０のときのガンマ線エネルギーであっ
て本発明では１４．４ｋｅＶに相当し、Ｃは光の速度で
あって約３×１０⁸ｍ／ｓの値をとる。分母に大きな値
を含むため、非常に精細な分解能を有することとなる。

【００２１】すなわち、本発明における装置の分解能は
上記線源駆動部３に依存しており、線源から発せられる
ガンマ線であってメスバウアースペクトルの中心となる
１４．４ｋｅＶ以外のものは、ノイズとして計数される
ので測定誤差となって有害である。ところが、本発明の
発明者らによれば、上述の如くＣｄＴｅをガンマ線検出
器の検出部に用いることで、コンプトン散乱等による他
のガンマ線の影響を除去できることを確認した。かかる
ＣｄＴｅのエネルギー分解能は２．８ｋｅＶであり、こ
の値以下のエネルギー分解能を有する物質は、理論的に
本発明のガンマ線検出器に用いることができる。但し、
ＣｄＴｅは、液体窒素等を用いずに常温でも２．８ｋｅ
Ｖという小さなエネルギー分解能を有するため、現場で
の取り扱い性に優れている。

【００２２】図２に示す二相ステンレス鋼のメスバウア
ースペクトルは、フェライト相により得られる強磁性を
表す小さな４つのピークＰｆ１〜Ｐｆ４と、オーステナ
イト相により得られる常磁性を表す大きな１つのピーク
Ｐｏとよりなる。フェライト相より得られるピークは本
来６つ存在するが、それらのうち中央の二本は大きなピ
ークＰｏに重なって隠れた形となっている。フェライト
相の内部磁場は、上述の４つの小さなピークのうち両端
の２つのピークＰｆ１，Ｐｆ４間の間隔Ｗにより決定さ
れる。脆化の程度が進めば、Ｃｒ等と均一に分散してい
たＦｅの原子どうしが凝集することにより内部磁場が高
まるため、上記間隔Ｗを求めることで、二相ステンレス
鋼の脆化程度を知ることができる。かかる脆化の程度
は、初期標本における同間隔Ｗ及び加熱後の標本におけ
る同間隔を求めて比例計数を決定し、未知標本の同間隔
Ｗに比例計数を乗じて求めることが可能である。

【００２３】Ｆｅにおける内部磁場が最も高いのは純鉄
の状態であり、３３．３Ｔ（テスラ）程度の値をとる。
この純鉄の場合の上記間隔Ｗは１２mm/s未満であり、し
かも、内部磁場が低下すると同間隔Ｗも狭くなるので、
エネルギー分解能ΔＥは上述の式を参照して以下の通り
となる。 ΔＥ＝ｅ×Ｖ／Ｃ＝１４．４[keV]×１２[mm/s]／３×
１０⁸[m/s]≒５．７６×１０^-7ｅＶよって、理論的には、エネルギー分解能が５．７６×１
０^-7ｅＶ以上あれば、メスバウアー分光法による内部磁
場の測定は可能である。もちろん、このエネルギー分解
能の下限値は、余裕をみて５．７６×１０^-7ｅＶのかわ
りにその倍の１０．５２×１０^-7ｅＶ程度に設定するこ
とも理論的には可能である。

【００２４】次いで、本発明の第二の態様を、図１
（ｂ）に示す。同図（ａ）の態様と同様の部材には同じ
符号を付してある。同態様は、透過法と呼ばれるもので
あって、ガンマ線検出器５は、鋼材標本Ｓの透過により
共鳴吸収されたガンマ線を検出する。よって、同装置に
より得られるメスバウアースペクトルは、図２のものと
凹凸が逆になった形となる。また、鋼材標本Ｓは、先の
態様と異なって箔状のものを用いる必要があり、この点
から既存設備の測定には厚肉標本の測定可能な第一の態
様のものが好適に用いられる。なお、図中４ｂ，６ｂは
それぞれ先の４ａ，６ａに相当するコリメーターであ
る。

【００２５】次に、本発明の検出器の第三の態様を図５
に示す。本態様におけるガンマ線検出器２５は、ＰＮ接
合型半導体検出器として構成されている。本態様では、
略円筒状の支持体２５ｂの中央部に板状のＳｉを用いた
半導体検出部２５ａが設けられている。この検出部２５
ａは、冷却用のペルチエクーラー２５ｄ上に配置されて
いる。また、ペルチエクーラー２５ｄの下面には、その
側面のスリットから冷却空気を吸引し下部に放出するシ
ロッコファン２５ｅが設けられている。すなわち、本態
様では、検出部２５ａをペルチエクーラー２５ｄ及びシ
ロッコファン２５ｅにより冷却し、もってエネルギー分
解能の値を減少させている。ちなみに、Ｓｉ型半導検出
器の場合はマイナス４０度程度に冷却することによりエ
ネルギー分解能を０．２ｋｅＶとすることが可能であ
る。また、支持体２５ｂの先端部には、ベリリウム窓２
５ｃが設けられ、先のコリメーター６ａの小孔及びベリ
リウム窓２５ｃを介して検出部２５ａに測定用のガンマ
線が入射する。

【００２６】また、この検出器は、第一の態様と同様に
遮蔽体２７により周りを取り囲んであるが、図示しない
スペーサーによりコリメーターとの対向部にラビリンス
状の隙間を設けて放射線の侵入を防止しつつ冷却用空気
を吸入可能に構成してある。シロッコファン２５ｅへの
吸気・排気は、支持体２５ｂの側面に設けた多数の吸引
孔２５ｆ及び支持体２５ｂの下部に設けた多数の排出用
小孔２５ｇを介して行われる。遮蔽体２７の下部に設け
た排出孔２７ｂもラビリンス構造としてある。なお、同
図では省略するが、ペルチエクーラー２５ｄ及びシロッ
コファン２５ｅには外部からの給電線が接続されてお
り、ペルチエクーラー２５ｄに設けた温度センサ２５ｈ
による温度検出に応じて検出部２５ａの冷却温度が一定
になるように制御されている。本態様によれば、先の第
一実施例の場合よりもエネルギー分解能を向上させるこ
とができるが、先の第一の対応におけるＣｄＴｅを用い
た検出器の方が冷却用の部品やラビリンス構造を簡略化
できるという点において、取り扱い性に優れている。

【００２７】次に、図６を参照しつつ、ガンマ線ノイズ
検出用の他のガンマ線検出器５を設け、ノイズ信号を相
殺する本発明の第四の態様について説明する。同図の符
号２，３，４ａの部材及び遮蔽容器９等よりなる線源側
装置と、符号５，６ａ，７の部材よりなる第一検出側装
置３１とは、上記第一の態様とほぼ同様に構成されてい
る。本態様では、第一検出側装置３１と同様の部材、す
なわちガンマ線ノイズ検出用の他のガンマ線検出器５等
を備えた第二検出側装置３２を設けた点が異なる。第二
検出側装置３２は鋼管Ｓ等から発生するガンマ線の環境
ノイズを検出することが目的であるから、線源２の影響
を最小限に抑えつつ、第一検出側装置３１とほぼ同様の
状態で構成・配置されることが望ましい。よって、本態
様では、線源２及び第一の貫通孔８ａからのガンマ線の
直接入射を防止しつつ、鋼管からの距離及び姿勢を第一
検出側装置３１と同様に設定できる状態で前記第二検出
側装置３２を配置している。加えて、第一検出側装置３
１及び第一の貫通孔８ａと同様の位置関係となるよう
に、第二検出側装置３２に対応するマスク体８上に第二
の貫通孔８ｂを形成して、両検出側装置３１，３２のガ
ンマ線ノイズ検出能力がほぼ同一となるように構成して
ある。

【００２８】本態様では、図１（ｃ）に示した信号処理
系統のうち、ガンマ線検出器５、プリアンプ１１、メイ
ンアンプ１２及びバンド選択手段１３が両検出側装置３
１，３２に対応して二系統設けられる。バンド選択手段
１３では、一対のガンマ線検出器５，５の出力信号のう
ち同一のエネルギーバンドが選択される。また、線源２
を設置する前に、両ガンマ線検出器５，５の出力信号の
値が同一となるようにプリアンプ１１、メインアンプ１
２の感度調整を行う。同図（ｃ）における処理装置１６
では、このように感度調整された後の両検出器５，５の
出力信号のうちの第一検出装置側３１の出力信号から第
二検出装置側の出力信号を相殺してある。したがって、
本態様では、他の構成により除去困難なガンマ線の環境
ノイズを除去でき、測定精度をより一層向上させること
が可能となる。なお、本態様では他のガンマ線検出器に
加えてマスク体を用い、両者あいまって測定精度を向上
させるように構成したが、測定環境によってはマスク体
を省略することも可能である。

【００２９】上記各態様では、原子力発電施設の配管を
例にとって説明したが、本発明は、その他放射性物質の
掘削や大気圏外等の放射線雰囲気の中で鋼材の劣化度等
を測定する用途にも適用可能である。もちろん、測定可
能な物性は熱脆化に限らず、メスバウアースペクトルに
より知得できるあらゆる物性を測定することができる
し、上記各態様は相互に組み合わせて実施することも可
能である。

【００３０】

【発明の効果】このように、上記本発明にかかるメスバ
ウアー分光測定装置及び測定法法によれば、原子力発電
施設等、種々のエネルギーレベルを有する放射線環境下
において使用される鋼材の物性が測定可能となり、同施
設に用いられる二相ステンレス鋼管等の熱脆化による劣
化等を未然に測定でき、同施設の安全性向上に大きく寄
与することが可能となった。

【００３１】特に、ガンマ線検出器の検出部にＣｄＴｅ
を備えることで、液体窒素等を用いずに常温でも正確に
測定でき、構成が簡単で取り扱いの容易なメスバウアー
分光測定装置及び測定方法を提供し得るに至った。

【００３２】また、測定対象部を除く標本側からのガン
マ線をマスク体により遮蔽することや、ガンマ線検出器
の出力信号から他のガンマ線検出器の出力信号を相殺す
ることで、ノイズの影響をより一層低減させることが可
能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はメスバウアー分光測定装置の説明図、
（ｂ）は第二の態様における同装置の説明図、（ｃ）は
（ａ）の装置の信号処理系統を示すブロック図である。

【図２】二相ステンレス鋼を標本とするメスバウアース
ペクトルである。

【図３】原子力施設の一次冷却系配管にあらわれる代表
的ガンマ線のエネルギー分布の一例を示すグラフであ
る。

【図４】（ａ）は第一の態様における鋼管の測定部近傍
及び検出器近傍の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）に
示す鋼管の軸方向視部分断面図である。

【図５】本発明の第三の態様における検出器近傍の概略
断面図である。

【図６】本発明の第四の態様における概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１メスバウアー分光測定装置２線源３線源駆動部４ａ，４ｂコリメーター５，２５検出器５ａ，２５ａ検出部６ａ，６ｂコリメーターＳ鋼材標本

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼材標本にガンマ線を照射する⁵⁷Ｃｏ線
源と、前記標本により共鳴吸収されたガンマ線を検出す
るためのガンマ線検出器とを備え、メスバウアー分光法
によりメスバウアースペクトルを得るメスバウアー分光
測定装置において、前記ガンマ線検出器の検出部がＣｄ
Ｔｅ（テルル化カドミウム）を備えていることを特徴と
するメスバウアー分光測定装置。
【請求項２】鋼材標本にガンマ線を照射する⁵⁷Ｃｏ線
源と、前記標本により共鳴吸収されたガンマ線を検出す
るためのガンマ線検出器とを備え、メスバウアー分光法
によりメスバウアースペクトルを得るメスバウアー分光
測定装置において、前記ガンマ線検出器の検出部のエネ
ルギー分解能が２．８ｋｅＶ以下であることを特徴とす
るメスバウアー分光測定装置。
【請求項３】前記標本により一旦共鳴吸収された後に
再び放出されるガンマ線を検出するように前記ガンマ線
検出器を配置し、前記標本の測定対象部を露出させる貫
通孔を備え且つ少なくともガンマ線を遮蔽するためのマ
スク体をさらに設けてある請求項１又は２のいずれかに
記載のメスバウアー分光測定装置。
【請求項４】ガンマ線ノイズ検出用の他のガンマ線検
出器を設け、前記ガンマ線検出器の出力信号から前記他
のガンマ線検出器の出力信号を相殺してある請求項１〜
３のいずれかに記載のメスバウアー分光測定装置。
【請求項５】鋼材標本に⁵⁷Ｃｏ線源からガンマ線を
照射し、前記標本により共鳴吸収されたガンマ線をガン
マ線検出器により検出し、メスバウアー分光法によりメ
スバウアースペクトルを得るメスバウアー分光測定方法
において、前記ガンマ線検出器の検出部がＣｄＴｅを備
えていることを特徴とするメスバウアー分光測定方法。