X線カメラを用いたメスバウアー二次元イメージング法の開発と鉄鋼材料への応用

• 研究課題/領域番号: 21K03749
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18010:材料力学および機械材料関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 小林 康浩 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (00303917)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
• キーワード: メスバウアー分光測定 / X線カメラ / メスバウアー分光 / 二次元イメージング

研究開始時の研究の概要

これまで、メスバウアー分光は大きな試料全体を測定する方法として知られていたが、X線カメラを使うことによりメスバウアー分光の二次元イメージングを行うことを目指す。目標とする測定対象は鉄鋼材料中の炭化鉄（セメンタイト）で、セメンタイトの粒子が鉄鋼中にどのように分散しているかが鋼板の強度を左右する。より強度が高い鋼板を得るために、理想的な分散状態やそれを生み出すための焼成条件を調べることを目指す。

研究実績の概要

計画では入射ガンマ線の平行性を得るために、線源からカメラまでの距離を90cm以上離して測定を行うとしている。その距離でカメラの各画素に十分なカウント数を得るためには比較的強度が高いメスバウアー分光用線源（半減期270日）が必要となる。しかし、この線源がロシアで製造されているものであるため、2022年度中には新規の強力な線源を購入できなかった（研究室で複数の目的で使用するための購入を予定）。そのため古い弱い線源を使っての測定とならざるを得なかった。
上記の古い線源でX線カメラの動作を確認を行ったが、測定画像にノイズが多く見られたためにノイズ低減策を試みた。鉛ブロックで遮蔽を作成し、外部からの放射線を極力抑えた状態でも完全にノイズを抑えることはできなかった。また遮蔽を多くしてもノイズが存在することから、宇宙線等の外来の放射線以外にX線カメラの画像素子に由来する電気的ノイズが無視できない量だけ含まれていることが分かった。
また、線源の有無や遮蔽の有無で測定した画像を比較すると、このノイズの量がカメラの画素によって大小があることが分かった。メスバウアー効果に起因する吸収率の変化は数%～十数%と予想されるため、このばらつきが撮影画像に影響を及ぼす可能性が高いと考える。その影響を抑えるために、電動ステージにて試料位置をずらした画像を複数枚撮影し、その合成によって画像を得る手法を2023年度に試みる予定としている。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

メスバウアー分光用ガンマ線源（半減期270日）は長らく日本アイソトープ協会を通じてロシアのリトベルク社製のものを購入していた。2022年のロシアによるウクライナ侵攻の影響からロシアとの取引の先行きが不透明となり、新規線源の購入を見送った。現在している古い線源は購入から4半減期近くが経過しており、予定していた測定に十分な強度は得られず、また他の測定にも線源を使用せざるを得ないため、十分な測定を行うことができなかった。2023年度は年度当初から新規線源の購入の手続きを進めている。

今後の研究の推進方策

2023年度中の新規線源を目指して購入の手続きを進めている。また、画素に依存したノイズの影響を低減するために電動ステージにて試料位置をずらした画像を複数枚撮影するシステムを設計中である。
試料については、強い吸収を得ることができるFe-57富化試料を用いることで測定を短時間で行うことを目指す。