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発表・掲載日:2016/12/21

インフラ点検ロボットに搭載できる高エネルギーX線非破壊検査装置を開発

-ポータブルバッテリーで駆動し、インフラ構造物などを現場で容易に非破壊検査-

ポイント

  • カーボンナノ構造体X線源と高エネルギーX線対応検出器により実現
  • 1ショット0.1秒のX線照射で鉄5 cm厚、複数ショットで鉄7 cm厚の透過イメージングが可能に
  • インフラ構造物の効率的な非破壊検査を可能にし、安全安心な社会の実現に貢献


概要

 国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構【理事長 古川 一夫】(以下「NEDO」という)のプロジェクトにおいて、国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)分析計測標準研究部門【研究部門長 野中 秀彦】 鈴木 良一 首席研究員、同研究部門 X線・陽電子計測研究グループ 加藤 英俊 主任研究員、放射線イメージング計測研究グループ 藤原 健 研究員は、国立大学法人 静岡大学【学長 伊東 幸宏】 電子工学研究所 青木 徹 教授とともに、バッテリーで駆動するロボットに搭載できる、小型で軽量の高エネルギーX線非破壊検査装置を開発した。

 近年、老朽化したインフラ構造物の安全性を評価する技術の開発が喫緊の社会的課題になっている。インフラ構造物の検査には、X線を用いた非破壊検査が有効であるが、ロボットなどを用いて効率的な検査を行うには小型軽量で高い透過能力を持つX線検査装置が必要とされていた。

 今回開発した装置は、カーボンナノ構造体を用いた管電圧200 kV以上の高エネルギーX線源と高エネルギーX線に対応した検出器からなり、1ショット0.1秒のX線を照射すると5 cm厚、複数ショットで7 cm以上の厚さの鉄鋼部材の透過イメージングができる。また、小型軽量で、ポータブルバッテリーで駆動できるため、この装置を、インフラ構造物などを検査するロボットに搭載すれば効率的な非破壊検査を行えるようになる。また、インフラ構造物の老朽化による事故を低減し安全安心な社会への貢献が期待される。

開発した装置での実験の模式図(左)、実験の様子(中央)、鋼板を透過した鉛文字のX線透過像(右)の図
開発した装置での実験の模式図(左)、実験の様子(中央)、鋼板を透過した鉛文字のX線透過像(右)
(右上)鋼板5 cm厚、1ショット照射、(右下)鋼板7 cm厚、18ショット照射



開発の社会的背景

 日本国内には、高度経済成長期以降に建設された膨大な社会インフラや産業インフラがあるが、建築後約半世紀を超えたそれらを今後も安全かつ有効に活用するためにインフラ構造物の効率的な点検が必要とされている。

 X線を用いた非破壊イメージング技術は、肉眼では見えないインフラ構造物内部の経年劣化状態を見ることができることから、特に工場や発電プラントなどのインフラ構造物の主要な検査技術の1つであるが、これまでは作業員が手動でX線装置をセッティングして撮影していたため、検査に時間がかかっていた。インフラ構造物には膨大な検査箇所があるため、ロボットを使った自動検査技術の開発が進められているが、検査現場では装置の電源の確保が難しい場合が多く、小型軽量で、バッテリー駆動のロボットに搭載でき、しかも検査に十分なX線透過能力を持つX線非破壊検査装置の導入が望まれている。

研究の経緯

 産総研は、これまでカーボンナノ構造体を用いたX線源の研究を行うとともに、高エネルギーX線やガンマ線に対応した検出技術の研究に取り組み、カーボンナノ構造体X線源の長寿命化、150 keVのX線を発生できる可搬型X線源の開発やそれを利用した非破壊検査システムの開発を進めてきた(2009年3月19日2014年6月3日 産総研プレス発表)。また、静岡大学は、X線やガンマ線などの高エネルギー線用の高性能・高機能イメージセンサーの研究に取り組んできた。

 今回、両者のカーボンナノ構造体X線源やX線検出器の技術をベースに、主要な産業インフラの1つである化学プラント配管用のX線非破壊検査の効率化を目的に、数cmの鉄鋼材料のX線透過イメージングができ、バッテリーで駆動するロボットに搭載できるX線検査装置の開発を行った。 この研究開発は、NEDOプロジェクト「インフラ維持管理・更新等の社会課題対応システム開発プロジェクト(平成26~30 年度)/インフラ維持管理用ロボット技術・非破壊検査装置開発/超小型X 線及び中性子センサーを用いたインフラ維持管理用非破壊検査装置開発」による支援を受けて行った。

研究の内容

 鉄鋼部材の非破壊検査に利用できる高エネルギーX線を発生できるX線源は、連続出力X線源やパルスX線源が製品化されているが、連続出力X線源は重量が重くAC100 Vか200 Vの交流電源が必要で、市販されているパルスX線源は寿命が短いという問題がありロボットに搭載することが難しい。また検出器は、医療用途としてフラットパネル型の検出器が普及しているものの、鉄構造物を対象としていないために、高エネルギーX線を照射した場合に検出効率や解像度が低くなる、寿命が短くなるなどの課題を抱えていた。そこで、今回新たに開発したX線非破壊検査装置は、200 keV以上の高エネルギーX線を発生できるカーボンナノ構造体X線源と、高エネルギーX線に対応したフラットパネル型の検出器からなり、X線源と検出器を合わせて5 kg以内の重量を実現した(図1)。

 X線源は、これまで開発してきた長寿命型のカーボンナノ構造体電子源を利用したものであり、X線管の中でカーボンナノ構造体とX線発生用ターゲットの間に200 kV以上の電圧をかけ、電界放出によってカーボンナノ構造体から真空中に放出されるミリアンペアオーダーの電子をターゲットに入射させてX線を発生する。このX線源は、従来のX線源で必要であった電子源用ヒーターやフィラメントが無いため、待機電力は不要で、X線発生時にしか電力を消費しない。今回、200 kV以上の電圧に耐えられる小型のX線管と高電圧駆動回路を新たに開発して、200 keV以上の高エネルギーX線を発生できるX線源を実現した。

 高エネルギーX線に対応したX線検出器としては、X線照射で発光する蛍光体と2次元光検出器を用いた光変換型X線検出器と、テルル化カドミウム半導体素子を用いた直接変換型X線検出器の2種類を開発した。光変換型X線検出器は、広い面積のX線透過像を得ることを目指して開発しており、今回、検出領域が10 cm角、画素間隔が0.2 mmの2次元光検出器を試作した。高エネルギーX線用の蛍光体を用い、光検出器のリーク電流を低減する技術を採用して、100 keV以上の高エネルギーX線を検知できるよう感度を高めた。また、直接変換型X線検出器は、検出領域が5.1 cm x 4.6 cm、画素間隔が0.1 mmとし、1 mm厚のテルル化カドミウム素子を用いて100 keV以上の高エネルギーX線に対する感度を上げ、高精度の画像計測を実現した。

 今回開発したX線源と2種類のX線検出器は、全て平均消費電力が40 W以下であり、プラント配管検査用に開発しているロボット用の14.8 Vバッテリーで駆動できる(図2)。

今回開発したX線非破壊検査装置の写真
図1 今回開発したX線非破壊検査装置
(左から)X線源、光変換型X線検出器、直接変換型X線検出器

配管検査ロボットに搭載したX線非破壊検査装置の写真
図2 配管検査ロボットに搭載したX線非破壊検査装置

 今回開発したX線源とX線検出器からなる非破壊検査装置の性能を確認するため、X線源とX線検出器の間に1 cm厚の鋼板を複数枚置き、鋼板の間に厚さ3 mmの鉛文字を挟み込んでX線透過像を撮像した(図3、図4)。5 cmの鋼板に1ショット0.1秒のX線を照射したところ、光変換型検出器と直接変換型の検出器のいずれを用いてもX線が5 cmの鋼板を透過して鉛文字の画像が得られた。また、X線を複数回照射すればイメージング可能な透過厚を増すことができ、光変換型検出器では18ショットを蓄積して、7 cm厚の鋼板を透過した画像が得られた。

 開発したX線検査装置を用いることで、プラントの配管など、厚みのある金属部材の減肉検査を高精度に実施することが可能になった。

 また、このX線非破壊検査装置は、小型軽量でバッテリー駆動できることから、自動検査ロボットなどに搭載してインフラ構造物の検査現場での効率的な検査ができるようになり、安全安心な社会の実現に貢献できると期待される。

非破壊検査装置の性能確認実験の模式図
図3 非破壊検査装置の性能確認実験の模式図

開発した装置を用いて撮影した鋼板を透過した鉛文字のX線透過像の写真
図4 開発した装置を用いて撮影した鋼板を透過した鉛文字のX線透過像
(左)鋼板5 cm厚、1ショット0.1秒照射、(右)鋼板7 cm厚、18ショット照射

今後の予定

 今後、開発したX線非破壊検査装置を化学プラント配管検査用のバッテリー駆動ロボットに搭載して、配管の減肉計測などの自動検査の実証試験を行う。また、他のインフラ構造物の非破壊検査への応用を検討する。



用語の説明

◆カーボンナノ構造体
炭素原子で構成され、ナノメートルサイズの構造のもの。カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、グラフェン、ナノダイヤモンド、フラーレン、これらが複合化したものなど様々な構造のものが知られている。先端がナノメートルの構造のものに電界を印加すると、電界放出現象によって室温でも電子が放出されることから、今回開発したX線源では電子源として利用している。[参照元へ戻る]
◆2次元光検出器
光を2次元的に検出して画像化するデバイス。画像センサーともいう。一般的にX線非破壊検査用の2次元検出器はカメラ用の画像センサーよりも広い有感面積(X線を画像として受けることができる面積)が必要となる。[参照元へ戻る]
◆光変換型X線検出器
X線が入射すると光を出す蛍光体と、その光を電気的信号に変換する光検出器からなるX線検出器で、大面積の蛍光体プレートと2次元光検出器を用いることにより、広い面積のX線画像を撮影することができる。[参照元へ戻る]
◆直接変換型X線検出器
半導体素子内に入ったX線を直接電気信号に変換する検出器。テルル化カドミウム半導体は、シリコンなどの半導体に比べてX線を吸収しやすく、高エネルギーX線の検出器として適している。また、2次元検出器では半導体素子に入ったX線が直接画像化されるので、ボケの少ない鮮明なX線画像が得られる。[参照元へ戻る]

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