2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of neutron resonance absorption thermometry aimed at practical application to industrial usage
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17H03515
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
加美山 隆 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50233961)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 博隆 北海道大学, 工学研究院, 助教 (30610779)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 非破壊・非接触温度測定 / 中性子共鳴吸収 / 中性子イメージング / 小型加速器中性子源 / 熱外中性子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
作動中機械部品の温度測定は、実働中の機械製品の安全性向上に直結すると考えられるが、既存の方法では非接触の物体内部温度測定は難しい。即発γ線型中性子共鳴吸収分光法（N-RAS-PG）は、原子核による中性子共鳴吸収の際に発生する即発γ線の計数と中性子の飛行時間法を組み合わせることで共鳴吸収スペクトルを取得し、その解析から非接触・非破壊で物体の内部温度を測定する手法である。そこで、この手法の特性を利用して、共鳴核種を温度センサーとして機械部品に設置し、非破壊でその温度を決定する手法の開発をこの研究で進めている。
初年度の平成29年度は、まず機械装置としてモーターを想定し、ケーシングの内部で回転する部品の温度測定について、シミュレーション計算により検討を行った。その結果、共鳴吸収核種の時間的な位置変化による共鳴吸収ピークの変形について、大きく2種類の原因が影響することがわかった。その1つは、回転軸を中性子ビーム軸に直交させると中性子線源から共鳴核種までの飛行距離が時間的に変動する効果で、これは回転軸を置く中心位置を飛行距離の基準点とすることでほぼキャンセルできることが示された。2つ目は、回転軸と中性子ビーム軸を直交させたときに、回転により共鳴吸収核種の実効的な厚さが変動することで、特に全吸収が起こる厚さまで変化すると大きく共鳴吸収線形が変形してしまうことがわかった。
一方、非破壊で得た物体内部の温度情報を実際の機械構造にマッピングすることが、直観的な温度情報の把握や伝熱モデル構築のために望まれる。そこで、高空間分解能で機械構造の中性子ラジオグラフィを実施するため、既存の中性子イメージインテンシファイアを冷却されたCMOSカメラと組み合わせたコンパクトな可搬型撮像システムを製作した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまで、計算機シミュレーションを用いて、モーター内で回転するローターを想定した部品について、回転運動の測定に対する影響を評価している。共鳴吸収核種は箔の形でローターに添付することで、回転時のローターの温度を決定する。シミュレーションでは、本手法の実際の利用を想定して、モーターの回転軸を中性子ビームと直交する形に置き、回転数も加速器の駆動周期とは独立させたものとした。箔状の共鳴核種の位置変動と、箔全体からの共鳴吸収即発γ線を積分的に測定するという条件である。
シミュレーションの結果、本手法で回転機械を測定する上で注意すべき幾つかの因子が得られた。1つは中性子のエネルギーを決めるために利用する飛行時間法で必要な飛行距離の変動である。箔の位置が回転軸の中性子源寄りか遠いかで飛行距離が変わるため、中性子のエネルギー軸に対しピーク位置そのものが変動する。この影響は回転軸を飛行距離の基準位置とすることで、ほぼキャンセルされるという結果が得られた。もう1つは共鳴核種箔の実効厚さの変化の影響で、箔の面方向が中性子ビーム軸と平行になった時が最大となることから、この近辺で中性子が全吸収され、共鳴吸収線形状が大きく変形するという結果が得られた。これらの他、モーターのケーシングが測定に与える影響等を検討した。
一方、非破壊的に得た内部温度情報は、機械構造に合わせて解釈するのが望ましく、その構造を非破壊的に測定する必要がある。特に、温度情報は空間分解能的にはmmオーダーの位置情報しか持ち得ないとすると、できるだけ高精細な内部構造のイメージングが必要である。このため、0.1㎜以下の空間分解能を持つ9インチ中性子イメージインテンシファイアを利用し、小型の産業用CMOSカメラを組み合わせることで重量約60㎏とコンパクトで設置が容易な中性子ラジオグラフィ用検出器を製作した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究において、即発γ線型共鳴吸収分光法を用いた温度測定法を作動中の機械部品に適用する上での課題が明らかとなってきた。それは中性子照射範囲にある共鳴核種の領域と厚さに関係するもので、動作中の機械部品は一般的には中性子ビーム視野内でそれらが常に変動する。この変動で、共鳴吸収ピークの形状は、つぶれたり中心位置が変化したりするという変形が生ずることが明らかとなったので、次の段階としてその補正あるいはそれを避ける測定配置について引き続き検討を進める。現在検討しているのは、機械試料設置の自由度に制約がかかるが、回転軸と中性子ビーム軸を平行にする方法、あるいはスリットを用いて実効厚さが大きくなる位置には中性子照射を避けるという方法である。また、断面積の小さい共鳴吸収線を用いて、全吸収とならない条件の吸収線を解析することもあり得る。今後、これらの方策について検討する。
また、中性子照射視野内の核種分布が共鳴吸収線形状に与える影響について、計算機シミュレーションで系統的に評価・分析することで検討する。これは視野内の核種量が面積的に変動する場合の影響を検討するもので、水平に運動する機械部品を想定することに対応する。さらに温度が変化する共鳴吸収線形状解析の検討として、核データを基に共鳴吸収線形状を分析する評価用ソフトウェアの開発も進めていく。
一方、実際の測定を行うため、中性子共鳴吸収実験を行う際の線源～ビームラインの体系について、北海道大学内の中性子実験室において効率的に測定が行えるように中性子線源の改良とビームライン配置の検討を実施する。
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Research Products
(1 results)
