ウェーブガイド超音波センサ装置
【課題】簡単な構造で位相速度を増加させると共に、群速度が一定の入射周波数の帯域幅を増加させて超音波の可視化性能を向上させるウェーブガイド超音波センサ装置を提供する。
【解決手段】対象体に対して超音波信号を送受信する超音波センサ１０と、超音波センサ１０の一側を支持して超音波信号のモードを切り替えるウェッジ２０と、ウェッジ２０と対象体との間に備えられ、送受信される超音波信号をガイドするウェーブガイド３０と、送受信される超音波信号を処理する高出力超音波システム５０とを含み、ウェーブガイドの外面のうちの少なくとも一部に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられる。
【解決手段】対象体に対して超音波信号を送受信する超音波センサ１０と、超音波センサ１０の一側を支持して超音波信号のモードを切り替えるウェッジ２０と、ウェッジ２０と対象体との間に備えられ、送受信される超音波信号をガイドするウェーブガイド３０と、送受信される超音波信号を処理する高出力超音波システム５０とを含み、ウェーブガイドの外面のうちの少なくとも一部に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明のウェーブガイド超音波センサ装置に関し、詳しくは、ウェーブガイドを介してガイドされ放射される超音波信号を介する可視化性能を向上させることのできるウェーブガイド超音波センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
不透明で高温であるナトリウムのような極限環境中における内部構造物は高温クリッピーにより損傷が生じ得るため、このような損傷は内部構造物の表面に微細な表面欠陥として現れる。ところで、前述のような極限環境にある内部構造物は、不透明、高温、および高放射能などのような極限要因によって微細な表面欠陥を肉眼で検査することが難しい。したがって、極限環境にある内部構造物の欠陥検査の方法は一般的に超音波センサを用いる方式が採用される。
【０００３】
超音波センサを用いる内部構造物の可視化方式は、超音波センサをナトリウム内に直接液浸させて検査する方式と、外部に超音波センサを設けてステンレス鋼材質の板ウェーブガイドを用いて第０次反対称のラム波（Ｌａｍｂ ｗａｖｅ）であるＡ０モードのラム波を送受信するウェーブガイド超音波センサ方式に区分される。このうち、前記直接液浸による超音波センサ方式は、超音波センサが極限環境の液体金属と接することによって、超音波センサの寿命が短縮されるという問題がある。一方、前記ウェーブガイド超音波センサ方式は、超音波センサが液体金属の外部で５ｍ以上の細長い金属板のウェーブガイドを用いて超音波信号を遠隔に送受信し、超音波センサの搬送位置による超音波信号の振幅の大きさおよび電波の時間差を表すＣ−スキャン可視化方式が採用されることによって、直接に液浸による超音波センサ方式の問題である寿命短縮を補完できるという長所を有する。
【０００４】
ここで、厚さが１ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼ウェーブガイドが採用される場合、入射周波数１．５ＭＨｚにてＡ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）が２．６ｍ／ｍｓ程度であって、ルーサイト（ｌｕｃｉｔｅ）固体ウェッジの縦波速度（ＶＬ）である２．７ｍ／ｍｓよりも小さい。これによって、Ａ０モードのラム波をウェーブガイドを介して発振させるためには、ウェッジ内部に液体の接触媒質が充填された液体ウェッジが適用されざるを得ない。
【０００５】
一方、前記ウェーブガイド超音波センサ方式を適用することにおいて、Ａ０モードのラム波の分散性の発生を最小化するために群速度が一定の周波数領域において入射波を加振しなければならない。このような群速度が一定の周波数帯から伝播される超音波パルスは分散性が最小化されるため、パルス波形が変化しないことからＳ／Ｎ比が良好になり、漏れ縦波ビームの放出角の変化が発生しないのでビームのプリファイルが均一になる。
【０００６】
また、５ｍ以上のウェーブガイド超音波センサにおいてＡ０モードのラム波の長距離電波によって発生する分散性による入射波の周波数バンド幅の増加によって、ナトリウムのような液体金属のうち放射される漏れ縦波のビーム放出角の変化の幅が大きくなることによるビーム広がり現象が発生する。このようなビーム広がり現象の広がり角が大きくなれば、分解能が低下するという短所が引き起こる。これによって、高い解像度のＣ−スキャン超音波映像を実現させるためには、ウェーブガイドセンサで伝播されるＡ０モードのラム波の群速度が極めて一定になる特性を実現しなければならない。また、ナトリウムのような液体金属の中における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を大きくするためには、Ａ０モードのラム波の群速度が一定の周波数帯域にて位相速度は可能なだけ大きく変わらなければならない。これによって、Ａ０モードのラム波の群速度が一定する周波数帯において、位相速度が大きく変わる新しいウェーブガイドセンサを開発する必要性が持続的に要求される。
【０００７】
結論的に、前記ウェーブガイド超音波センサで伝播するＡ０モードの位相速度（Ｃｐｈ）がウェッジの縦波速度（ＶＬ＝２．７ｍ／ｍｓ）およびナトリウムの縦波速度（ＶＬ＝２．４７４ｍ／ｍｓ）よりも大きく、入射パルスの加振周波数範囲（０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚ）においてウェーブガイドを介して伝播するＡ０モードのラム波の群速度が一定であり、一定の入射波加振周波数の範囲においてＡ０モードのラム波の位相速度差が大きいウェーブガイド超音波センサ装置を実現するための研究／開発が求められるのである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、前述のような問題点を考慮して案出されたものであって、簡単な構造で位相速度を増加させるとともに、群速度が一定の入射周波数の帯域幅を増加させて超音波の可視化性能を向上させることのできるウェーブガイド超音波センサ装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、固体ウェッジの縦波速度よりも大きい位相速度の実現が可能なウェーブガイド超音波センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述した目的を達成するためのウェーブガイド超音波センサ装置は、超音波センサと、ウェッジと、ウェーブガイド、および高出力超音波システムを含む。
【００１１】
前記超音波センサは、極限環境に置かれた対象体に対して超音波信号を送受信し、前記ウェッジは、前記超音波センサの一側を支持し、前記超音波信号のモードを切り替える。このとき、前記ウェッジは固体に形成されることがよい。
【００１２】
前記ウェーブガイドは、ウェッジと前記対象体との間に備えられ、前記送受信される超音波信号をガイドする。ここで、前記ウェーブガイドの外面のうちの少なくとも一部に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられる。
【００１３】
より具体的に、前記コーティング層は、前記ウェーブガイドを隔てて一側と他側に互いに対称型に備えるか、前記ウェーブガイドの一側または他側のうちのいずれか１つにのみ非対称型に設けられ、０．１２５ｍｍ〜０．２５ｍｍの厚さを有する。このようなコーディング層が備えられたウェーブガイドは、ステンレス鋼板に形成され、長さは５ｍ以上であり、厚さは１ｍｍ〜２ｍｍであることがよい。
【００１４】
前記高出力超音波システムは、前記送受信される超音波信号を処理して可視化する。
【００１５】
本発明の他の側面によるウェーブガイド超音波センサ装置は、高温、高放射能および／または不透明な極限環境に置かれる対象体の状態を超音波信号に可視化するためのものであって、前記超音波信号を送受信する超音波センサと対象体との間に備えられ、超音波信号をガイドするウェーブガイドの外面に位相速度を増加させ、群速度を一定に維持させる酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられる。
【発明の効果】
【００１６】
前述のような構成を有する本発明によれば、第１に、ウェーブガイドの外面に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられることによって、ウェーブガイドに沿って伝播されるＡ０モードのラム波の群速度が一定の周波数領域を拡大させる。これによって、５ｍ以上の長さを有するウェーブガイドを介して長距離伝播されるＡ０モードのラム波の分散性の発生を最小化し、入射波の波形歪みを最小化することができる。
【００１７】
第２に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が備えられるウェーブガイドを介する長距離Ａ０モードのラム波の入射パルスの周波数スペクトルの帯域幅の増加、および漏れ縦波のビーム広がり角を最小化し、超音波の可視化分解能を向上させることができる。
【００１８】
第３に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層は、Ａ０モードのラム波の位相速度を固体に形成されるウェッジの縦波速度よりも大きくすることができるとともに、群速度が一定の周波数範囲の領域を増加させることができる。これによって、高温の環境において長期間使用できる固体に形成されるウェッジの使用が可能になって、ウェーブガイド超音波センサ装置の寿命を向上させるとともに、液体金属における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を増加させて放射ビームのステアリング機能が５ｍ以上の長距離でも正常に作動できるようにする利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の好ましい一実施形態に係るウェーブガイド超音波センサ装置が採用される原子炉を概略的に示した概念図である。
【図２】図１に示される本発明によるウェーブガイド超音波センサ装置を概略的に示す構成図である。
【図３Ａ】ウェーブガイドに沿って伝播されるＳ０モードのラム波とＡ０モードのラム波を概略的に示す図である。
【図３Ｂ】ウェーブガイドに沿って伝播されるＳ０モードのラム波とＡ０モードのラム波を概略的に示す図である。
【図４Ａ】ウェーブガイドにコーティング層が非対称型および対称型に備えられた状態を概略的に示す図である。
【図４Ｂ】ウェーブガイドにコーティング層が非対称型および対称型に備えられた状態を概略的に示す図である。
【図５】ウェーブガイドの他端で超音波信号が放射される状態を説明するための図である。
【図６】ウェーブガイドの厚さ別Ａ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図７】ウェーブガイドの厚さ別Ａ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図８】コーティング層が備えられたウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図９】コーティング層が備えられたウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図１０】コーティング層の厚さ別ウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図１１】コーティング層の厚さ別ウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図１２】非対称型／対称型のコーティング層が備えられたウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図１３】非対称型／対称型のコーティング層が備えられたウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図１４】漏れ縦波の放射角が示されるグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい一実施形態を添付の図面を参考して説明する。
【００２１】
図１および図２を参考すれば、本発明に係るウェーブガイド超音波センサ装置１は、超音波センサ１０、ウェッジ２０、ウェーブガイド３０、および高出力超音波システム５０を含む。
【００２２】
参考に、図１に示すように、本発明の一実施形態に係るウェーブガイド超音波センサ装置１は、超音波信号を用いて液体金属炉、鉛冷却炉、一体型原子炉などのよう直接に接近が難しい極限環境中の内部構造物（Ｏ、以下、「対象体」と称する）に対する遠隔超音波の可視化検査を行う。本実施形態では、対象体（Ｏ）はナトリウムのような液体金属（Ｌ）が受容される原子炉（Ｎ）に浸漬されるものとして例示する。
【００２３】
このようなウェーブガイド超音波センサ装置１は、詳細に示さないが、原子炉（Ｎ）の上部に備えられるヘッド（Ｈ）の二重回転プラグ（図示せず）に固定され、上部はヘッド（Ｈ）の外部に突出し、下部は対象体（Ｏ）の炉心の上端と向い合う。かかる構成によって、ウェーブガイド超音波センサ装置１は、ヘッド（Ｈ）に備えられる二重回転プラグ（図示せず）の回転駆動時に収集される超音波信号と超音波センサの位置情報から対象体（Ｏ）である炉心の上端のＣ−スキャン映像（Ｉ）を獲得する。
【００２４】
図２を参考して、前述のウェーブガイド超音波センサ装置１をより詳しく説明する。
【００２５】
まず、超音波センサ１０は、超音波信号を対象体（Ｏ）に送信させるか、または対象体（Ｏ）から反射される超音波信号を受信する。
【００２６】
ウェッジ２０は、超音波センサ１０の一側を支持するよう設けられ、超音波信号のモードを切り替える。具体的に、ウェッジ２０は、超音波センサ１０から送信される超音波信号をラム波に切り替えるか、後述するウェーブガイド３０を介して受信されるラム波を縦波に切り替える。すなわち、超音波センサ１０によって送受信される超音波信号がウェッジ２０を経ることによって、ラム波または縦波にモードが切り替えられるのである。本実施形態においてはウェッジ２０が固体に形成されるものとして例示し、より好ましくはルーサイト（ｌｕｃｉｔｅ）であるものとして例示する。
【００２７】
参考に、ラム波とは、薄い板状の固体内を進行する波を指すものであって、図３に示すように、進行方式に応じて対称モード（Ｓ−Ｍｏｄｅ）と反対称モード（Ａ−Ｍｏｄｅ）とに分類される。図３Ａに示すように、対称モードのラム波（Ｓ−Ｍｏｄｅ）は、進行方向に振動する波の成分が板厚の中心線（Ｃ）に対して対称をなすか、図３Ｂに示すように反対称モードのラム波（Ａ−Ｍｏｄｅ）は非対称である。本実施形態においては、様々なモードのラム波の中から図３Ｂに示す第０次反対称のラム波（Ａ０）が用いられるものと例示する。以下は、説明の便宜のために、ウェッジ２０によってモードが切り替えられる第０次反対称のラム波（Ａ０）をＡ０モードのラム波と称する。
【００２８】
ウェーブガイド３０は、超音波センサ１０と対象体（Ｏ）との間に備えられ、送受信される超音波信号をガイドする。具体的に、ウェーブガイド３０は図に示すように、一端は原子炉（Ｎ）の外部で超音波センサ１０の一側を支持するウェッジ２０に接続し、他端は原子炉（Ｎ）に受容される液体金属（Ｌ）に浸漬されて対象体（Ｏ）と向い合う。これによって、超音波センサ１０から放射されてウェッジ２０によって切り替えられるＡ０モードのラム波がウェーブガイド３０の長手方向に伝播し、対象体（Ｏ）にガイドされる。このようなウェーブガイド３０は、厚さが１ｍｍ〜２ｍｍであり、長さが５ｍ以上である、細長いステンレス鋼材質の板に形成される。
【００２９】
一方、本発明に係るウェーブガイド３０の外面には、図４に示すように、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層４０が設けられる。ここで、コーティング層４０は、図４Ａに示すようにウェーブガイド３０の外面のいずれか一側にだけ設けられる非対称型に形成されるか、図４Ｂに示すようにウェーブガイド３０の外面の両側に設けられる対称型に形成されてもよい。また、コーティング層４０は、ウェーブガイド３０の放射端部のような外面のうちの少なくとも一部に形成されてもよい。
【００３０】
コーティング層４０は材質の特性上、Ａ０モードのラム波の群速度の一定周波数領域を拡大させる。これによって、５ｍ以上の長さを有するウェーブガイド３０を介して長距離伝播されるＡ０モードのラム波の分散性の発生を最小化し、入射波の波形歪みを最小化することができる。また、ウェーブガイド３０を介する長距離Ａ０モードのラム波の電波による入射パルスの周波数スペクトルの帯域幅の増加および漏れ縦波のビーム広がり角を最小化することで、超音波の可視化分解能を向上させる。
【００３１】
だけでなく、コーティング層４０は、Ａ０モードのラム波の位相速度を固体に形成されるウェッジ２０の縦波速度よりも増加させ、群速度が一定の周波数領域における位相速度と大きさ変化の範囲を増加させる。これによって、高温環境において長時間使用できる固体に形成されるウェッジ２０の使用が可能になり、ウェーブガイド超音波センサ装置１の寿命を向上させるとともに、液体金属（Ｌ）における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を増加させることで、放射ビームのステアリング機能が５ｍ以上の長距離であっても正常に作動できるようにする利点を有する。
【００３２】
すなわち、前述のような酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層４０をウェーブガイド３０の外面に設けることによって、Ａ０モードのラム波の位相速度および群速度の一定周波数領域を増加させ、Ａ０モードのラム波の電波性能および漏れ縦波の放射角切り替え性能を改善するものである。
【００３３】
高出力超音波システム５０は、送受信される超音波信号を処理して可視化することによって、高出力超音波のパルサー／レシーバ５１およびコンピュータ５３を含む。
【００３４】
高出力超音波パルサー／レシーバ５１は、超音波センサ１０に接続し、対象体（Ｏ）に送信される超音波信号を発生させるとともに、対象体（Ｏ）から反射して超音波センサ１０で受信される超音波信号が提供される。このとき、高い出力超音波パルサー／レシーバ５１は、入射パルスの周波数を調整して超音波信号を生成し、対象体（Ｏ）の表面情報を有して受信される超音波信号を収集させる。一方、高出力超音波パルサー／レシーバ５１によって収集される超音波信号は、オシロスコープ５２によって測定され、Ａ／Ｄ変換器５４によってデジタル信号に切り替えられてコンピュータ５３によって制御される。
【００３５】
参考に、高出力超音波システム５０とは別途に超音波センサ１０はスキャナコントローラ６０によって制御される（図１参照）。
【００３６】
図５には超音波センサ１０を支持するウェッジ２０に接続されるウェーブガイド３０を介するＡ０モードのラム波の電波と、ウェーブガイド３０の他端部を介して液体金属（Ｌ）に漏れ縦波が抜け出る概念図が示される。
【００３７】
図５のように、ウェーブガイド３０によって伝播されるＡ０モードのラム波が液体金属（Ｌ）に接して縦波に漏れ、このとき、漏れ縦波のビーム放射角（α）は、下記の数式１のスネル（Ｓｎｅｌｌ）法則に応じて決定される。
【００３８】
【数１】
【００３９】
ここで、ＶＬは液体金属（Ｌ）の縦波速度、ＣｐｈはＡ０モードのラム波の位相速度、またｆは周波数を指す。参考に、ウェーブガイド３０が１ｍｍの厚さを有するＳＳ３０４ステンレス鋼板に形成され、ウェーブガイド３０に１．５ＭＨｚの超音波信号が入射され、Ａ０モードのラム波の位相速度と液体金属（Ｌ）の縦波速度がそれぞれ約２５６０ｍ／ｓおよび２４７４ｍ／ｓである場合、数式１によって漏れ縦波のビーム放射角（α）は７５度程度になる。
【００４０】
図６および図７を参考すれば、ナトリウムで形成される液体金属（Ｌ）内におけるウェーブガイド３０の厚さ（ｔ）によるＡ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）と、群速度（Ｃｇ）の分散特性の曲線が示される。長さが５ｍ以上である長距離ウェーブガイド３０をナトリウムを含む液体金属（Ｌ）に適用するためには、Ａ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）がナトリウムの液体金属（Ｌ）の縦波速度（ＶＬ）の２４７４ｍ／ｓよりも大きくなければ、漏れ縦波にモードが切り替えられてウェーブガイド３０の他端を介して超音波ビームが放出されることができない。ここで、ウェーブガイド超音波センサ装置１において主に用いられる超音波センサ１０は、１ＭＨｚセンサと１．５ＭＨｚセンサであり、トンバースト入射波の加振周波数で主に用いられる周波数帯域は０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚである。入射波の加振周波数の範囲である０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚ帯域において群速度（Ｃｇ）は図７に示すように一定でなければならず、位相速度は図６に示すように大きさの変化の幅が大きくなければならない。ここで、Ａ０モードのラム波の群速度（Ｃｇ）が一定でなければ、５ｍ以上の長さを有するウェーブガイド３０の長距離の電波でＡ０モードのラム波の分散性の発生を最小化することができず、また、位相速度（Ｃｐｈ）の大きさ変化の幅が大きくなければ、液体金属（Ｌ）中における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を増加させることができない。
【００４１】
参考に、図６および図７に示すように、Ａ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）の大きさ変化の幅が大きく、群速度（Ｃｇ）が一定の条件を満たすウェーブガイド３０の厚さ（ｔ）は１．５ｍｍであるが、群速度（Ｃｇ）が一定の周波数領域は０．９ＭＨｚ〜１．２ＭＨｚ範囲であるため、ビーム放射角切り替えの周波数の範囲（０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚ）が制限されてしまうという問題がある。
【００４２】
前述したような既存の問題を改善するために、本発明のようにコーティング層４０が備えられるウェーブガイド３０を介して伝播されるＡ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）と、群速度（Ｃｇ）の分散特性の曲線が図８および図９に示される。図８および図９は、厚さが１．５ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０と、厚さが１ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０の外面にベリリウム（Ｂｅ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、および銅（Ｃｕ）で形成されるコーティング層４０が備えられたウェーブガイド３０におけるＡ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）と、群速度（Ｃｇ）を理解するため、理論式に基づく数値解析の結果が示される。
【００４３】
参考に、ベリリウム（Ｂｅ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）は、自然に存在する様々な材料のうちから超音波速度が最も速い物質であって、それぞれの縦波速度は１２．８９ｍ／ｍｓおよび１０．７５ｍ／ｍｓである。このようなベリリウム（Ｂｅ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の縦波速度は、ＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０の縦波速度の５．７９ｍ／ｍｓの２倍に該当する。一方、銅（Ｃｕ）の縦波速度は４．６６ｍ／ｍｓであり、ＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０よりも遅い。
【００４４】
これによって、ＳＳ３０４ステンレス鋼板に超音波速度が速いベリリウム（Ｂｅ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）によって形成されるコーティング層４０がウェーブガイド３０に備えられれば、位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）が図８および図９に示すように、コーティング層４０が備えられないウェーブガイド３０と比較して著しく増加することが分かる。特に、図９に示すように、ベリリウム（Ｂｅ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成されるコーティング層４０が備えられたウェーブガイド３０は、入射波の加振周波数領域（０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚ）にて群速度が極めて一定になる特性があって、５ｍ以上の長距離の電波による波形の歪み現象を改善することができる。このとき、ベリリウム（Ｂｅ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）によって形成されるコーティング層４０が備えられたウェーブガイド３０の位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）の特性が互いに類似することも分かる。
【００４５】
また、超音波速度が遅い銅（Ｃｕ）で形成されるコーティング層４０がウェーブガイド３０に備えられる場合には、コーティング層４０が備えられていないウェーブガイド３０と比較して位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）が減少する特性が現れる。これによって、銅（Ｃｕ）は、本発明で説明するコーティング層４０の材料として適していないことが分かる。
【００４６】
図１０および図１１を参考すれば、ベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層４０の厚さが厚いほどウェーブガイド３０を介して伝播されるＡ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）が相対的に増加することが分かる。しかし、図１１に示すように、コーティング層４０の厚さが０．５ｍｍである場合、群速度（Ｃｇ）が一定に維持される現象が減少する。これによって、一定の群速度（Ｃｇ）のために、ウェーブガイド３０にコーティングされるコーティング層４０の厚さはほぼ０．１２５ｍｍ〜０．２５ｍｍであることが好ましい。また、図１０に示すように、コーティング層４０の厚さが０．１２５ｍｍ以上である場合、Ａ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）がルーサイト材質のウェッジ２０の縦波速度の２．７ｍ／ｍｓよりも大きくなって、高温環境においてもより安定して長い期間使用できる固体に形成されたウェッジ２０の使用が可能になることが分かる。
【００４７】
図１２および図１３には、非対称型および対称型にコーティング層４０が備えられたウェーブガイド３０の位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）の分散特性の曲線が示される。より詳しく、図１２および図１３には、図４Ａに示すように厚さ（ｔ）が１ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０のいずれか一側面にのみベリリウム（Ｂｅ）に形成された非対称型コーティング層４０が設けられる場合と、図４Ｂに示すように、厚さ（ｔ）が１ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０の両側外面にベリリウム（Ｂｅ）で形成される対称型のコーティング層４０が設けられる場合とを比較した。ここで、非対称型／対称型のコーティング層４０の厚さはすべて０．１２５ｍｍである。
【００４８】
図１２および図１３のグラフに示すように、一側の外面にのみコーティング層４０が備えられた非対称型のウェーブガイド３０に比べ、両側の外面にコーティング層４０が備えられた対称型ウェーブガイド３０の位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）の大きさが大きくなるとともに、群速度（Ｃｇ）がより一定になることが分かる。
【００４９】
参考に、図３Ａに示すＳ０モードのラム波の変位分布の変化はウェーブガイド３０の厚さ中心線（Ｃ）で大きく現れ、図３Ｂに示すＡ０モードのラム波の変位分布の変化はウェーブガイド３０の外面で大きく現れるため、Ａ０モードのラム波である場合に表面物性に大きく影響を受ける。これによって、Ａ０モードのラム波は、ウェーブガイド３０の外面に設けられるコーティング層４０による位相速度（Ｃｐｈ）の増加効果がＳ０モードのラム波と比較して相対的に大きい。一方、図１３に示すように、非対称型コーティング層４０である場合、群速度（Ｃｇ）が一定になる効果が対称型のコーティング層４０に比べて相対的に低く現れるのは、Ａ０モードのラム波の変位分布の対称性に大きく影響を与えるためである。
【００５０】
図１４は、厚さが１ｍｍまたは１．５ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板に形成されたウェーブガイド３０と、厚さが１ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板に形成されたウェーブガイド３０にベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層４０が０．１２５ｍｍまたは０．２５ｍｍに備えられたウェーブガイド３０が、ナトリウムを含む液体金属（Ｌ）内で放出する漏れ縦波の放射角を表すグラフが示される。
【００５１】
漏れ縦波の放射角（α）は、数式１によるα（ｆ）＝ｓｉｎ−１［ＶＬ／Ｃｐｈ（ｆ）］によって導き出される。入射波の加振周波数領域（０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚ）においてウェーブガイド３０の厚さ（ｔ）が１ｍｍである場合には漏れ縦波が制限的に発生し、ウェーブガイド３０の厚さ（ｔ）が１．５ｍｍである場合には１ＭＨｚ以下の低い周波数領域においてビーム放射角度が急激に変化して放射ビームのビーム広がり角が大きくなる問題が発生することが分かる。しかし、ウェーブガイド３０にコーティング層４０が設けられることによって、漏れ縦波のビーム放射角の切り替え範囲が一定になることが分かる。
【００５２】
上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野における熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態によって制限されるものではない。
【符号の説明】
【００５３】
１：ウェーブガイド超音波センサ装置
１０：超音波センサ
２０：ウェッジ
３０：ウェーブガイド
４０：コーティング層
５０：高出力超音波システム
【技術分野】
【０００１】
本発明のウェーブガイド超音波センサ装置に関し、詳しくは、ウェーブガイドを介してガイドされ放射される超音波信号を介する可視化性能を向上させることのできるウェーブガイド超音波センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
不透明で高温であるナトリウムのような極限環境中における内部構造物は高温クリッピーにより損傷が生じ得るため、このような損傷は内部構造物の表面に微細な表面欠陥として現れる。ところで、前述のような極限環境にある内部構造物は、不透明、高温、および高放射能などのような極限要因によって微細な表面欠陥を肉眼で検査することが難しい。したがって、極限環境にある内部構造物の欠陥検査の方法は一般的に超音波センサを用いる方式が採用される。
【０００３】
超音波センサを用いる内部構造物の可視化方式は、超音波センサをナトリウム内に直接液浸させて検査する方式と、外部に超音波センサを設けてステンレス鋼材質の板ウェーブガイドを用いて第０次反対称のラム波（Ｌａｍｂ ｗａｖｅ）であるＡ０モードのラム波を送受信するウェーブガイド超音波センサ方式に区分される。このうち、前記直接液浸による超音波センサ方式は、超音波センサが極限環境の液体金属と接することによって、超音波センサの寿命が短縮されるという問題がある。一方、前記ウェーブガイド超音波センサ方式は、超音波センサが液体金属の外部で５ｍ以上の細長い金属板のウェーブガイドを用いて超音波信号を遠隔に送受信し、超音波センサの搬送位置による超音波信号の振幅の大きさおよび電波の時間差を表すＣ−スキャン可視化方式が採用されることによって、直接に液浸による超音波センサ方式の問題である寿命短縮を補完できるという長所を有する。
【０００４】
ここで、厚さが１ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼ウェーブガイドが採用される場合、入射周波数１．５ＭＨｚにてＡ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）が２．６ｍ／ｍｓ程度であって、ルーサイト（ｌｕｃｉｔｅ）固体ウェッジの縦波速度（ＶＬ）である２．７ｍ／ｍｓよりも小さい。これによって、Ａ０モードのラム波をウェーブガイドを介して発振させるためには、ウェッジ内部に液体の接触媒質が充填された液体ウェッジが適用されざるを得ない。
【０００５】
一方、前記ウェーブガイド超音波センサ方式を適用することにおいて、Ａ０モードのラム波の分散性の発生を最小化するために群速度が一定の周波数領域において入射波を加振しなければならない。このような群速度が一定の周波数帯から伝播される超音波パルスは分散性が最小化されるため、パルス波形が変化しないことからＳ／Ｎ比が良好になり、漏れ縦波ビームの放出角の変化が発生しないのでビームのプリファイルが均一になる。
【０００６】
また、５ｍ以上のウェーブガイド超音波センサにおいてＡ０モードのラム波の長距離電波によって発生する分散性による入射波の周波数バンド幅の増加によって、ナトリウムのような液体金属のうち放射される漏れ縦波のビーム放出角の変化の幅が大きくなることによるビーム広がり現象が発生する。このようなビーム広がり現象の広がり角が大きくなれば、分解能が低下するという短所が引き起こる。これによって、高い解像度のＣ−スキャン超音波映像を実現させるためには、ウェーブガイドセンサで伝播されるＡ０モードのラム波の群速度が極めて一定になる特性を実現しなければならない。また、ナトリウムのような液体金属の中における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を大きくするためには、Ａ０モードのラム波の群速度が一定の周波数帯域にて位相速度は可能なだけ大きく変わらなければならない。これによって、Ａ０モードのラム波の群速度が一定する周波数帯において、位相速度が大きく変わる新しいウェーブガイドセンサを開発する必要性が持続的に要求される。
【０００７】
結論的に、前記ウェーブガイド超音波センサで伝播するＡ０モードの位相速度（Ｃｐｈ）がウェッジの縦波速度（ＶＬ＝２．７ｍ／ｍｓ）およびナトリウムの縦波速度（ＶＬ＝２．４７４ｍ／ｍｓ）よりも大きく、入射パルスの加振周波数範囲（０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚ）においてウェーブガイドを介して伝播するＡ０モードのラム波の群速度が一定であり、一定の入射波加振周波数の範囲においてＡ０モードのラム波の位相速度差が大きいウェーブガイド超音波センサ装置を実現するための研究／開発が求められるのである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、前述のような問題点を考慮して案出されたものであって、簡単な構造で位相速度を増加させるとともに、群速度が一定の入射周波数の帯域幅を増加させて超音波の可視化性能を向上させることのできるウェーブガイド超音波センサ装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、固体ウェッジの縦波速度よりも大きい位相速度の実現が可能なウェーブガイド超音波センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述した目的を達成するためのウェーブガイド超音波センサ装置は、超音波センサと、ウェッジと、ウェーブガイド、および高出力超音波システムを含む。
【００１１】
前記超音波センサは、極限環境に置かれた対象体に対して超音波信号を送受信し、前記ウェッジは、前記超音波センサの一側を支持し、前記超音波信号のモードを切り替える。このとき、前記ウェッジは固体に形成されることがよい。
【００１２】
前記ウェーブガイドは、ウェッジと前記対象体との間に備えられ、前記送受信される超音波信号をガイドする。ここで、前記ウェーブガイドの外面のうちの少なくとも一部に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられる。
【００１３】
より具体的に、前記コーティング層は、前記ウェーブガイドを隔てて一側と他側に互いに対称型に備えるか、前記ウェーブガイドの一側または他側のうちのいずれか１つにのみ非対称型に設けられ、０．１２５ｍｍ〜０．２５ｍｍの厚さを有する。このようなコーディング層が備えられたウェーブガイドは、ステンレス鋼板に形成され、長さは５ｍ以上であり、厚さは１ｍｍ〜２ｍｍであることがよい。
【００１４】
前記高出力超音波システムは、前記送受信される超音波信号を処理して可視化する。
【００１５】
本発明の他の側面によるウェーブガイド超音波センサ装置は、高温、高放射能および／または不透明な極限環境に置かれる対象体の状態を超音波信号に可視化するためのものであって、前記超音波信号を送受信する超音波センサと対象体との間に備えられ、超音波信号をガイドするウェーブガイドの外面に位相速度を増加させ、群速度を一定に維持させる酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられる。
【発明の効果】
【００１６】
前述のような構成を有する本発明によれば、第１に、ウェーブガイドの外面に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられることによって、ウェーブガイドに沿って伝播されるＡ０モードのラム波の群速度が一定の周波数領域を拡大させる。これによって、５ｍ以上の長さを有するウェーブガイドを介して長距離伝播されるＡ０モードのラム波の分散性の発生を最小化し、入射波の波形歪みを最小化することができる。
【００１７】
第２に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が備えられるウェーブガイドを介する長距離Ａ０モードのラム波の入射パルスの周波数スペクトルの帯域幅の増加、および漏れ縦波のビーム広がり角を最小化し、超音波の可視化分解能を向上させることができる。
【００１８】
第３に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層は、Ａ０モードのラム波の位相速度を固体に形成されるウェッジの縦波速度よりも大きくすることができるとともに、群速度が一定の周波数範囲の領域を増加させることができる。これによって、高温の環境において長期間使用できる固体に形成されるウェッジの使用が可能になって、ウェーブガイド超音波センサ装置の寿命を向上させるとともに、液体金属における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を増加させて放射ビームのステアリング機能が５ｍ以上の長距離でも正常に作動できるようにする利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の好ましい一実施形態に係るウェーブガイド超音波センサ装置が採用される原子炉を概略的に示した概念図である。
【図２】図１に示される本発明によるウェーブガイド超音波センサ装置を概略的に示す構成図である。
【図３Ａ】ウェーブガイドに沿って伝播されるＳ０モードのラム波とＡ０モードのラム波を概略的に示す図である。
【図３Ｂ】ウェーブガイドに沿って伝播されるＳ０モードのラム波とＡ０モードのラム波を概略的に示す図である。
【図４Ａ】ウェーブガイドにコーティング層が非対称型および対称型に備えられた状態を概略的に示す図である。
【図４Ｂ】ウェーブガイドにコーティング層が非対称型および対称型に備えられた状態を概略的に示す図である。
【図５】ウェーブガイドの他端で超音波信号が放射される状態を説明するための図である。
【図６】ウェーブガイドの厚さ別Ａ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図７】ウェーブガイドの厚さ別Ａ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図８】コーティング層が備えられたウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図９】コーティング層が備えられたウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図１０】コーティング層の厚さ別ウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図１１】コーティング層の厚さ別ウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図１２】非対称型／対称型のコーティング層が備えられたウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図１３】非対称型／対称型のコーティング層が備えられたウェーブガイドのＡ０モードのラム波の位相速度と群速度の分散特性の曲線が示されるグラフである。
【図１４】漏れ縦波の放射角が示されるグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい一実施形態を添付の図面を参考して説明する。
【００２１】
図１および図２を参考すれば、本発明に係るウェーブガイド超音波センサ装置１は、超音波センサ１０、ウェッジ２０、ウェーブガイド３０、および高出力超音波システム５０を含む。
【００２２】
参考に、図１に示すように、本発明の一実施形態に係るウェーブガイド超音波センサ装置１は、超音波信号を用いて液体金属炉、鉛冷却炉、一体型原子炉などのよう直接に接近が難しい極限環境中の内部構造物（Ｏ、以下、「対象体」と称する）に対する遠隔超音波の可視化検査を行う。本実施形態では、対象体（Ｏ）はナトリウムのような液体金属（Ｌ）が受容される原子炉（Ｎ）に浸漬されるものとして例示する。
【００２３】
このようなウェーブガイド超音波センサ装置１は、詳細に示さないが、原子炉（Ｎ）の上部に備えられるヘッド（Ｈ）の二重回転プラグ（図示せず）に固定され、上部はヘッド（Ｈ）の外部に突出し、下部は対象体（Ｏ）の炉心の上端と向い合う。かかる構成によって、ウェーブガイド超音波センサ装置１は、ヘッド（Ｈ）に備えられる二重回転プラグ（図示せず）の回転駆動時に収集される超音波信号と超音波センサの位置情報から対象体（Ｏ）である炉心の上端のＣ−スキャン映像（Ｉ）を獲得する。
【００２４】
図２を参考して、前述のウェーブガイド超音波センサ装置１をより詳しく説明する。
【００２５】
まず、超音波センサ１０は、超音波信号を対象体（Ｏ）に送信させるか、または対象体（Ｏ）から反射される超音波信号を受信する。
【００２６】
ウェッジ２０は、超音波センサ１０の一側を支持するよう設けられ、超音波信号のモードを切り替える。具体的に、ウェッジ２０は、超音波センサ１０から送信される超音波信号をラム波に切り替えるか、後述するウェーブガイド３０を介して受信されるラム波を縦波に切り替える。すなわち、超音波センサ１０によって送受信される超音波信号がウェッジ２０を経ることによって、ラム波または縦波にモードが切り替えられるのである。本実施形態においてはウェッジ２０が固体に形成されるものとして例示し、より好ましくはルーサイト（ｌｕｃｉｔｅ）であるものとして例示する。
【００２７】
参考に、ラム波とは、薄い板状の固体内を進行する波を指すものであって、図３に示すように、進行方式に応じて対称モード（Ｓ−Ｍｏｄｅ）と反対称モード（Ａ−Ｍｏｄｅ）とに分類される。図３Ａに示すように、対称モードのラム波（Ｓ−Ｍｏｄｅ）は、進行方向に振動する波の成分が板厚の中心線（Ｃ）に対して対称をなすか、図３Ｂに示すように反対称モードのラム波（Ａ−Ｍｏｄｅ）は非対称である。本実施形態においては、様々なモードのラム波の中から図３Ｂに示す第０次反対称のラム波（Ａ０）が用いられるものと例示する。以下は、説明の便宜のために、ウェッジ２０によってモードが切り替えられる第０次反対称のラム波（Ａ０）をＡ０モードのラム波と称する。
【００２８】
ウェーブガイド３０は、超音波センサ１０と対象体（Ｏ）との間に備えられ、送受信される超音波信号をガイドする。具体的に、ウェーブガイド３０は図に示すように、一端は原子炉（Ｎ）の外部で超音波センサ１０の一側を支持するウェッジ２０に接続し、他端は原子炉（Ｎ）に受容される液体金属（Ｌ）に浸漬されて対象体（Ｏ）と向い合う。これによって、超音波センサ１０から放射されてウェッジ２０によって切り替えられるＡ０モードのラム波がウェーブガイド３０の長手方向に伝播し、対象体（Ｏ）にガイドされる。このようなウェーブガイド３０は、厚さが１ｍｍ〜２ｍｍであり、長さが５ｍ以上である、細長いステンレス鋼材質の板に形成される。
【００２９】
一方、本発明に係るウェーブガイド３０の外面には、図４に示すように、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層４０が設けられる。ここで、コーティング層４０は、図４Ａに示すようにウェーブガイド３０の外面のいずれか一側にだけ設けられる非対称型に形成されるか、図４Ｂに示すようにウェーブガイド３０の外面の両側に設けられる対称型に形成されてもよい。また、コーティング層４０は、ウェーブガイド３０の放射端部のような外面のうちの少なくとも一部に形成されてもよい。
【００３０】
コーティング層４０は材質の特性上、Ａ０モードのラム波の群速度の一定周波数領域を拡大させる。これによって、５ｍ以上の長さを有するウェーブガイド３０を介して長距離伝播されるＡ０モードのラム波の分散性の発生を最小化し、入射波の波形歪みを最小化することができる。また、ウェーブガイド３０を介する長距離Ａ０モードのラム波の電波による入射パルスの周波数スペクトルの帯域幅の増加および漏れ縦波のビーム広がり角を最小化することで、超音波の可視化分解能を向上させる。
【００３１】
だけでなく、コーティング層４０は、Ａ０モードのラム波の位相速度を固体に形成されるウェッジ２０の縦波速度よりも増加させ、群速度が一定の周波数領域における位相速度と大きさ変化の範囲を増加させる。これによって、高温環境において長時間使用できる固体に形成されるウェッジ２０の使用が可能になり、ウェーブガイド超音波センサ装置１の寿命を向上させるとともに、液体金属（Ｌ）における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を増加させることで、放射ビームのステアリング機能が５ｍ以上の長距離であっても正常に作動できるようにする利点を有する。
【００３２】
すなわち、前述のような酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層４０をウェーブガイド３０の外面に設けることによって、Ａ０モードのラム波の位相速度および群速度の一定周波数領域を増加させ、Ａ０モードのラム波の電波性能および漏れ縦波の放射角切り替え性能を改善するものである。
【００３３】
高出力超音波システム５０は、送受信される超音波信号を処理して可視化することによって、高出力超音波のパルサー／レシーバ５１およびコンピュータ５３を含む。
【００３４】
高出力超音波パルサー／レシーバ５１は、超音波センサ１０に接続し、対象体（Ｏ）に送信される超音波信号を発生させるとともに、対象体（Ｏ）から反射して超音波センサ１０で受信される超音波信号が提供される。このとき、高い出力超音波パルサー／レシーバ５１は、入射パルスの周波数を調整して超音波信号を生成し、対象体（Ｏ）の表面情報を有して受信される超音波信号を収集させる。一方、高出力超音波パルサー／レシーバ５１によって収集される超音波信号は、オシロスコープ５２によって測定され、Ａ／Ｄ変換器５４によってデジタル信号に切り替えられてコンピュータ５３によって制御される。
【００３５】
参考に、高出力超音波システム５０とは別途に超音波センサ１０はスキャナコントローラ６０によって制御される（図１参照）。
【００３６】
図５には超音波センサ１０を支持するウェッジ２０に接続されるウェーブガイド３０を介するＡ０モードのラム波の電波と、ウェーブガイド３０の他端部を介して液体金属（Ｌ）に漏れ縦波が抜け出る概念図が示される。
【００３７】
図５のように、ウェーブガイド３０によって伝播されるＡ０モードのラム波が液体金属（Ｌ）に接して縦波に漏れ、このとき、漏れ縦波のビーム放射角（α）は、下記の数式１のスネル（Ｓｎｅｌｌ）法則に応じて決定される。
【００３８】
【数１】
【００３９】
ここで、ＶＬは液体金属（Ｌ）の縦波速度、ＣｐｈはＡ０モードのラム波の位相速度、またｆは周波数を指す。参考に、ウェーブガイド３０が１ｍｍの厚さを有するＳＳ３０４ステンレス鋼板に形成され、ウェーブガイド３０に１．５ＭＨｚの超音波信号が入射され、Ａ０モードのラム波の位相速度と液体金属（Ｌ）の縦波速度がそれぞれ約２５６０ｍ／ｓおよび２４７４ｍ／ｓである場合、数式１によって漏れ縦波のビーム放射角（α）は７５度程度になる。
【００４０】
図６および図７を参考すれば、ナトリウムで形成される液体金属（Ｌ）内におけるウェーブガイド３０の厚さ（ｔ）によるＡ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）と、群速度（Ｃｇ）の分散特性の曲線が示される。長さが５ｍ以上である長距離ウェーブガイド３０をナトリウムを含む液体金属（Ｌ）に適用するためには、Ａ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）がナトリウムの液体金属（Ｌ）の縦波速度（ＶＬ）の２４７４ｍ／ｓよりも大きくなければ、漏れ縦波にモードが切り替えられてウェーブガイド３０の他端を介して超音波ビームが放出されることができない。ここで、ウェーブガイド超音波センサ装置１において主に用いられる超音波センサ１０は、１ＭＨｚセンサと１．５ＭＨｚセンサであり、トンバースト入射波の加振周波数で主に用いられる周波数帯域は０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚである。入射波の加振周波数の範囲である０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚ帯域において群速度（Ｃｇ）は図７に示すように一定でなければならず、位相速度は図６に示すように大きさの変化の幅が大きくなければならない。ここで、Ａ０モードのラム波の群速度（Ｃｇ）が一定でなければ、５ｍ以上の長さを有するウェーブガイド３０の長距離の電波でＡ０モードのラム波の分散性の発生を最小化することができず、また、位相速度（Ｃｐｈ）の大きさ変化の幅が大きくなければ、液体金属（Ｌ）中における漏れ縦波の放射ビームの角度切り替え範囲を増加させることができない。
【００４１】
参考に、図６および図７に示すように、Ａ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）の大きさ変化の幅が大きく、群速度（Ｃｇ）が一定の条件を満たすウェーブガイド３０の厚さ（ｔ）は１．５ｍｍであるが、群速度（Ｃｇ）が一定の周波数領域は０．９ＭＨｚ〜１．２ＭＨｚ範囲であるため、ビーム放射角切り替えの周波数の範囲（０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚ）が制限されてしまうという問題がある。
【００４２】
前述したような既存の問題を改善するために、本発明のようにコーティング層４０が備えられるウェーブガイド３０を介して伝播されるＡ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）と、群速度（Ｃｇ）の分散特性の曲線が図８および図９に示される。図８および図９は、厚さが１．５ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０と、厚さが１ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０の外面にベリリウム（Ｂｅ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、および銅（Ｃｕ）で形成されるコーティング層４０が備えられたウェーブガイド３０におけるＡ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）と、群速度（Ｃｇ）を理解するため、理論式に基づく数値解析の結果が示される。
【００４３】
参考に、ベリリウム（Ｂｅ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）は、自然に存在する様々な材料のうちから超音波速度が最も速い物質であって、それぞれの縦波速度は１２．８９ｍ／ｍｓおよび１０．７５ｍ／ｍｓである。このようなベリリウム（Ｂｅ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の縦波速度は、ＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０の縦波速度の５．７９ｍ／ｍｓの２倍に該当する。一方、銅（Ｃｕ）の縦波速度は４．６６ｍ／ｍｓであり、ＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０よりも遅い。
【００４４】
これによって、ＳＳ３０４ステンレス鋼板に超音波速度が速いベリリウム（Ｂｅ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）によって形成されるコーティング層４０がウェーブガイド３０に備えられれば、位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）が図８および図９に示すように、コーティング層４０が備えられないウェーブガイド３０と比較して著しく増加することが分かる。特に、図９に示すように、ベリリウム（Ｂｅ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成されるコーティング層４０が備えられたウェーブガイド３０は、入射波の加振周波数領域（０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚ）にて群速度が極めて一定になる特性があって、５ｍ以上の長距離の電波による波形の歪み現象を改善することができる。このとき、ベリリウム（Ｂｅ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）によって形成されるコーティング層４０が備えられたウェーブガイド３０の位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）の特性が互いに類似することも分かる。
【００４５】
また、超音波速度が遅い銅（Ｃｕ）で形成されるコーティング層４０がウェーブガイド３０に備えられる場合には、コーティング層４０が備えられていないウェーブガイド３０と比較して位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）が減少する特性が現れる。これによって、銅（Ｃｕ）は、本発明で説明するコーティング層４０の材料として適していないことが分かる。
【００４６】
図１０および図１１を参考すれば、ベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層４０の厚さが厚いほどウェーブガイド３０を介して伝播されるＡ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）が相対的に増加することが分かる。しかし、図１１に示すように、コーティング層４０の厚さが０．５ｍｍである場合、群速度（Ｃｇ）が一定に維持される現象が減少する。これによって、一定の群速度（Ｃｇ）のために、ウェーブガイド３０にコーティングされるコーティング層４０の厚さはほぼ０．１２５ｍｍ〜０．２５ｍｍであることが好ましい。また、図１０に示すように、コーティング層４０の厚さが０．１２５ｍｍ以上である場合、Ａ０モードのラム波の位相速度（Ｃｐｈ）がルーサイト材質のウェッジ２０の縦波速度の２．７ｍ／ｍｓよりも大きくなって、高温環境においてもより安定して長い期間使用できる固体に形成されたウェッジ２０の使用が可能になることが分かる。
【００４７】
図１２および図１３には、非対称型および対称型にコーティング層４０が備えられたウェーブガイド３０の位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）の分散特性の曲線が示される。より詳しく、図１２および図１３には、図４Ａに示すように厚さ（ｔ）が１ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０のいずれか一側面にのみベリリウム（Ｂｅ）に形成された非対称型コーティング層４０が設けられる場合と、図４Ｂに示すように、厚さ（ｔ）が１ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板で形成されるウェーブガイド３０の両側外面にベリリウム（Ｂｅ）で形成される対称型のコーティング層４０が設けられる場合とを比較した。ここで、非対称型／対称型のコーティング層４０の厚さはすべて０．１２５ｍｍである。
【００４８】
図１２および図１３のグラフに示すように、一側の外面にのみコーティング層４０が備えられた非対称型のウェーブガイド３０に比べ、両側の外面にコーティング層４０が備えられた対称型ウェーブガイド３０の位相速度（Ｃｐｈ）と群速度（Ｃｇ）の大きさが大きくなるとともに、群速度（Ｃｇ）がより一定になることが分かる。
【００４９】
参考に、図３Ａに示すＳ０モードのラム波の変位分布の変化はウェーブガイド３０の厚さ中心線（Ｃ）で大きく現れ、図３Ｂに示すＡ０モードのラム波の変位分布の変化はウェーブガイド３０の外面で大きく現れるため、Ａ０モードのラム波である場合に表面物性に大きく影響を受ける。これによって、Ａ０モードのラム波は、ウェーブガイド３０の外面に設けられるコーティング層４０による位相速度（Ｃｐｈ）の増加効果がＳ０モードのラム波と比較して相対的に大きい。一方、図１３に示すように、非対称型コーティング層４０である場合、群速度（Ｃｇ）が一定になる効果が対称型のコーティング層４０に比べて相対的に低く現れるのは、Ａ０モードのラム波の変位分布の対称性に大きく影響を与えるためである。
【００５０】
図１４は、厚さが１ｍｍまたは１．５ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板に形成されたウェーブガイド３０と、厚さが１ｍｍであるＳＳ３０４ステンレス鋼板に形成されたウェーブガイド３０にベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層４０が０．１２５ｍｍまたは０．２５ｍｍに備えられたウェーブガイド３０が、ナトリウムを含む液体金属（Ｌ）内で放出する漏れ縦波の放射角を表すグラフが示される。
【００５１】
漏れ縦波の放射角（α）は、数式１によるα（ｆ）＝ｓｉｎ−１［ＶＬ／Ｃｐｈ（ｆ）］によって導き出される。入射波の加振周波数領域（０．８ＭＨｚ〜１．７ＭＨｚ）においてウェーブガイド３０の厚さ（ｔ）が１ｍｍである場合には漏れ縦波が制限的に発生し、ウェーブガイド３０の厚さ（ｔ）が１．５ｍｍである場合には１ＭＨｚ以下の低い周波数領域においてビーム放射角度が急激に変化して放射ビームのビーム広がり角が大きくなる問題が発生することが分かる。しかし、ウェーブガイド３０にコーティング層４０が設けられることによって、漏れ縦波のビーム放射角の切り替え範囲が一定になることが分かる。
【００５２】
上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野における熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態によって制限されるものではない。
【符号の説明】
【００５３】
１：ウェーブガイド超音波センサ装置
１０：超音波センサ
２０：ウェッジ
３０：ウェーブガイド
４０：コーティング層
５０：高出力超音波システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象体に対して超音波信号を送受信する超音波センサと、
前記超音波センサの一側を支持し、前記超音波信号のモードを切り替えるウェッジと、
前記ウェッジと前記対象体との間に備えられ、前記送受信される超音波信号をガイドするウェーブガイドと、
前記送受信される超音波信号を処理する高出力超音波システムと、
を含み、
前記ウェーブガイドの外面のうちの少なくとも一部に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられることを特徴とするウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項２】
前記コーティング層は、前記ウェーブガイドを隔てて一側と他側に互いに対称型に備えるか、前記ウェーブガイドの一側または他側のうちのいずれか１つにのみ非対称型に設けられることを特徴とする請求項１に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項３】
前記コーティング層は、０．１２５ｍｍ〜０．２５ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項２に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項４】
前記ウェーブガイドは、ステンレス鋼板に形成され、長さは５ｍ以上であり、厚さは１ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項５】
前記ウェッジは、固体に形成されることを特徴とする請求項１に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項６】
高温、高放射能および／または不透明な極限環境に置かれる対象体の状態を超音波信号に可視化するウェーブガイド超音波センサ装置であって、
前記超音波信号を送受信する超音波センサと対象体との間に備えられ、超音波信号をガイドするウェーブガイドの外面に位相速度を増加させ、群速度を一定に維持させる酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられることを特徴とするウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項７】
前記ウェーブガイドは板形に備えられ、前記コーティング層は前記ウェーブガイドの一側の外面または両側の外面に非対称型または対称型に設けられるか、前記ウェーブガイドの外面のうちの少なくとも一部領域に形成されることを特徴とする請求項６に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項８】
前記コーティング層は、０．１２５ｍｍ〜０．２５ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項６または７に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項１】
対象体に対して超音波信号を送受信する超音波センサと、
前記超音波センサの一側を支持し、前記超音波信号のモードを切り替えるウェッジと、
前記ウェッジと前記対象体との間に備えられ、前記送受信される超音波信号をガイドするウェーブガイドと、
前記送受信される超音波信号を処理する高出力超音波システムと、
を含み、
前記ウェーブガイドの外面のうちの少なくとも一部に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられることを特徴とするウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項２】
前記コーティング層は、前記ウェーブガイドを隔てて一側と他側に互いに対称型に備えるか、前記ウェーブガイドの一側または他側のうちのいずれか１つにのみ非対称型に設けられることを特徴とする請求項１に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項３】
前記コーティング層は、０．１２５ｍｍ〜０．２５ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項２に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項４】
前記ウェーブガイドは、ステンレス鋼板に形成され、長さは５ｍ以上であり、厚さは１ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項５】
前記ウェッジは、固体に形成されることを特徴とする請求項１に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項６】
高温、高放射能および／または不透明な極限環境に置かれる対象体の状態を超音波信号に可視化するウェーブガイド超音波センサ装置であって、
前記超音波信号を送受信する超音波センサと対象体との間に備えられ、超音波信号をガイドするウェーブガイドの外面に位相速度を増加させ、群速度を一定に維持させる酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および／またはベリリウム（Ｂｅ）で形成されるコーティング層が設けられることを特徴とするウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項７】
前記ウェーブガイドは板形に備えられ、前記コーティング層は前記ウェーブガイドの一側の外面または両側の外面に非対称型または対称型に設けられるか、前記ウェーブガイドの外面のうちの少なくとも一部領域に形成されることを特徴とする請求項６に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【請求項８】
前記コーティング層は、０．１２５ｍｍ〜０．２５ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項６または７に記載のウェーブガイド超音波センサ装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−２７１３１９（Ｐ２０１０−２７１３１９Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７９４０（Ｐ２０１０−１１７９４０）
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（５００００２４９０）コリア アトミック エナジー リサーチ インスティチュート (20)
【出願人】（５０２０４３３５２）コリア ハイドロ アンド ニュークリア パワー カンパニー リミティッド (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（５００００２４９０）コリア アトミック エナジー リサーチ インスティチュート (20)
【出願人】（５０２０４３３５２）コリア ハイドロ アンド ニュークリア パワー カンパニー リミティッド (23)
【Ｆターム（参考）】
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