超音波探触子及び超音波探傷方法
【課題】高放射線場においても被検査体の超音波探傷が可能で、接触媒質を繰返し使用でき、かつ検査前後の作業が容易な超音波探触子を提供する。
【解決手段】超音波探触子１Ａを、超音波信号の送受信を行う超音波振動子２と、超音波振動子２の超音波送受波面３とは反対側の面に設けられるダンパー４と、これら超音波振動子２及びダンパー４を保持する絶縁性の保持体６と、保持体６を収納する金属製のケース５と、ケース５の上端部に設けられたコネクタ９と、超音波振動子２に備えられた図示しない上部電極及び下部電極とコネクタ９とを接続するリード線７，８と、ケース５の下端部に設けられた筒状のカップリング１１と、カップリング１１内に充填されたベントナイト１０とから構成する。
【解決手段】超音波探触子１Ａを、超音波信号の送受信を行う超音波振動子２と、超音波振動子２の超音波送受波面３とは反対側の面に設けられるダンパー４と、これら超音波振動子２及びダンパー４を保持する絶縁性の保持体６と、保持体６を収納する金属製のケース５と、ケース５の上端部に設けられたコネクタ９と、超音波振動子２に備えられた図示しない上部電極及び下部電極とコネクタ９とを接続するリード線７，８と、ケース５の下端部に設けられた筒状のカップリング１１と、カップリング１１内に充填されたベントナイト１０とから構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力施設における高放射線場を有する鋼構造物やコンクリート構造物などの被検査体の内部欠陥を超音波の反射波を用いて探傷する超音波探触子と、これを用いた被検査体の超音波探傷方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼構造物やコンクリート構造物の内部欠陥を非破壊的に検査する超音波探傷装置の主要機器として、超音波探触子が利用されている。この超音波探触子は、超音波を被検査体中に伝播させ、欠陥部に衝突して反射する欠陥部反射波を検出することにより、被検査体内部のひび割れやボイド等の欠陥部を検出するものである。
【０００３】
このような超音波探傷を実施する場合、超音波探触子から送信される超音波を被検査体の内部に効率よく透過させるために、被検査体の表面に超音波探触子を密着させる必要がある。このため、被検査体の表面と超音波探触子との間に、超音波を伝播させる液状のグリセリンや油等の粘性を有する接触媒質を介在させることが不可欠である。
【０００４】
従来、一般産業用の超音波探触子として、軟質ゲル状物質などの接触媒質を超音波探触子と一体に設けた一体型構造の超音波探触子が提案されているが（例えば、特許文献１，２，３参照。）、従来提案されている接触媒質はいずれも耐放射線性を有せず、高放射線場においては短時間で放射線分解を起こし、その機能が喪失されやすい。
【０００５】
なお、医療用の超音波診断方法としては、検査用のコロイドクレイとしてベントナイトを使用する方法が従来提案されているが（例えば、特許文献４参照。）、この方法は、検査時に、ベントナイトを直接人体器官内に手作業で挿入し、検査時のコントラストを上げるものであるので、高放射線場での使用には到底適用し得ない。
【０００６】
また、従来の超音波探触子は、例えば超音波振動子とケースとの接合にエポキシ樹脂系の接着剤を使用しており、エポキシ樹脂の耐放射線性は約１００Ｇｙ程度と低いため、１００Ｇｙ／ｈのような高放射線環境下のガラス固化施設等においては、数時間で接着剤層に亀裂が生じ、使用が不可能になる。
【０００７】
さらに、ダンパーとして音響インピーダンスが高い金属粉と音響インピーダンスが低いエポキシ系樹脂やポリウレタン系樹脂を用いて成形したものが従来知られているが（例えば、特許文献４参照。）、この種のダンパーを用いた超音波探触子は、高放射線場で使用すると、短時間のうちにダンパーが破壊されて、使用が不可能になる。
【０００８】
本発明において、超音波探傷用の接触媒質として使用するベントナイトは、チクソトロピー性を有する材料であり、チクソトロピー性とは、力が作用すると粘性が可逆的に減少する現象である（例えば、非特許文献１参照。）。つまり、このベントナイトを接触媒質として利用すると、静止時は粘性が高いが、圧力負荷時は粘性が低くなるため、超音波探触子と被検査体との密着性が増し、超音波の伝播特性が増加する。特に、コンクリートや岩石のような表面粗さが大きい材料の超音波探傷に適用すれば、表面の凹部内に接触媒質であるベントナイトが充填され、効率よく超音波探傷性能を増すことが期待できる。
【０００９】
ベントナイトは、放射性廃棄物の地層処分に使用される人口バリアの候補材であり、廃棄体パッケージから放射される表面線量率４×１０４Ｇｙ／ｙ程度の放射線場でも実績がある（例えば、非特許文献２参照。）。
【００１０】
また、耐放射線性の樹脂材料に関しては、Ｎｏｍｅｘ（デュポン社の商品名）やＣｏｎｅｘ（テイジン社の商品名）で代表されるアラミド樹脂等のポリアミド系樹脂が、エポキシ系樹脂に比較して優れていることが知られている（例えば、非特許文献３参照。）。
【００１１】
その他、最近脚光を浴びている耐放射線性材料としては、高分子材料内部への酸素透過を抑制することで、耐放射線性を向上させたシリカ系の薄膜を利用した材料が一部実用化されている（例えば、非特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開２００５−２４１３３７号公報
【特許文献２】特開平５−２７７１０４号公報
【特許文献３】特開平３−２９６６５８号公報
【特許文献４】特表２００５−５２４７１１号公報
【特許文献５】特開平８−１０５８７０号公報
【非特許文献１】加藤祐哉：チクソトロピー性状を示すグラウトの性状に関する研究、第５７回年次学術講演会講演概要集、土木学会、ｐｐ．７７３−７７４−１４０８（２００２）
【非特許文献２】原子力委員会 長半減期低発熱放射性廃棄物処分技術検討会（第４回）議事録 平成１８年２月２０日(月)１０：００〜１１：５７ ４Ｐ
【非特許文献３】樋口忠男：耐放射線有機材料、放射線と産業、（６６）、５（１９９５）
【非特許文献４】小林慶規：シリカ膜による高分子の耐放射線性の向上、産総研ＴＯＤＡＹ ２００６−０１ ｐｐ．２４−２５ （２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のように、従来型の超音波探触子は、被検査体の表面に超音波探触子を密着させるための接触媒質としてグリセリンや油等を用いるので、耐放射線性に劣り、短時間のうちに使用が不可能になる。また、超音波振動子とケースとの接合などにエポキシ樹脂系の接着剤を使用すると共に、ダンパーの構成材料としてエポキシ樹脂を用いているので、この点からも耐放射線性に劣り、短時間のうちに使用が不可能になる。さらに、従来型の超音波探触子は、検査毎に被検査体の表面にグリセリンや油などの接触媒質を塗るので、検査の準備作業に多大の労力を要すると共に、試験後においては被検査体の表面に塗布されたグリセリンや油などを除去しなくてはならないので、検査後の被検査体の清掃作業に多大の労力を要するという問題もある。
【００１３】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消するためになされたものであって、その目的は、高放射線場においても被検査体の超音波探傷が可能で、接触媒質を繰返し使用でき、かつ検査前後の作業が容易な超音波探触子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記目的を達成するため、超音波探触子に関しては、第１に、超音波信号の送受信を行う超音波振動子と、該超音波振動子の超音波送受波面とは反対側の面に設けられるダンパーと、これら超音波振動子及びダンパーを保持する絶縁性の保持体と、上記保持体を収納する金属製のケースと、該ケースに設けられた筒状のカップリングとを備え、上記カップリング内に上記超音波振動子の超音波送受波面と被検査体との間に介在される超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトを充填するという構成にした。
【００１５】
ベントナイトは、チクソトロピー性を有するので、超音波振動子から送信される超音波を受けて粘性が減少し、超音波振動子と被検査体の間を埋める接触媒質として機能する。また、ベントナイトは、耐放射線性及び音響インピーダンスが高い材料であるので、これを接触媒質として用いることにより、超音波探触子の耐放射線性及び検出信号のＳＮ比を高めることができる。さらに、ベントナイトは、水で容易に洗浄できるので、検査後の被検査体の清掃作業を容易化することができる。加えて、ベントナイトをカップリング内に充填すると、検査毎に被検査体の表面に接触媒質を塗布する必要がないので、検査前の準備作業を容易化することができる。
【００１６】
また本発明は、超音波探触子に関して第２に、上記第１の構成の超音波探触子において、上記超音波振動子と上記ダンパー、上記超音波振動子と上記保持体、及び上記保持体と上記ケースを、耐放射線性の接着剤を用いて接着するという構成にした。
【００１７】
かかる構成によると、接着部の耐放射線性を高めることができるので、高放射線場で使用可能な超音波探触子とすることができる。
【００１８】
また本発明は、超音波探触子に関して第３に、上記第１の構成の超音波探触子において、上記ダンパーの外面を耐放射線性のコーティング膜で覆うという構成にした。
【００１９】
かかる構成によると、ダンパーの耐放射線性を高めることができるので、高放射線場で使用可能な超音波探触子とすることができる。
【００２０】
また本発明は、超音波探触子に関して第４に、上記第１の構成の超音波探触子において、上記ケースに対して上記カップリングを着脱可能に取り付けるという構成にした。
【００２１】
かかる構成によると、カップリング内へのベントナイトの充填が容易になるので、被検査体の材質等に応じて含水比が異なるベントナイトを容易にカップリング内に充填でき、多用途への超音波探触子の適用が容易になる。
【００２２】
一方、本発明は、超音波探傷方法に関して、第１に、超音波信号の送受信を行う超音波振動子と、該超音波振動子の超音波送受波面とは反対側の面に設けられるダンパーと、これら超音波振動子及びダンパーを保持する絶縁性の保持体と、上記保持体を収納する金属製のケースと、該ケースに設けられた筒状のカップリングとを備え、上記カップリング内に上記超音波振動子の超音波送受波面と被検査体との間に介在される超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトを充填した超音波探触子を用い、上記カップリングの先端部を上記被検査体の表面に接触させた状態で上記超音波振動子の超音波送受波面からベントナイトに超音波を送信し、上記ベントナイトの粘性を低下させて上記被検査体内部の探傷を行うという構成にした。
【００２３】
かかる構成によると、カップリング内に超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトが充填された超音波探触子を用いるので、超音波探触子の耐放射線性及びＳＮ比が高められると共に、検査前の準備作業及び検査後の被検査体の清掃作業を容易化することができる。
【００２４】
また本発明は、超音波探傷方法に関して第２に、上記第１の構成の超音波探傷方法において、上記被検査体の表面粗さが大きい場合には上記ベントナイトの含水比を高くし、上記被検査体の表面粗さが小さい場合には上記ベントナイトの含水比を低くするという構成にした。
【００２５】
かかる構成によると、被検査体の表面粗さが大きい場合には、ベントナイトの粘性を小さくして、被検査体表面へのベントナイトの密着性を高めることができる。また、被検査体の表面粗さが小さい場合には、ベントナイトの粘性を大きくして、ベントナイトの流れ出しによる消費を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の超音波探触子は、カップリング内に超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトを充填してなるので、超音波探触子の耐放射線性及びＳＮ比が高められると共に、検査前の準備作業及び検査後の被検査体の清掃作業を容易化することができる。
【００２７】
また、本発明の超音波探傷方法は、カップリング内に超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトが充填された超音波探触子を用いるので、超音波探触子の耐放射線性及びＳＮ比が高められると共に、検査前の準備作業及び検査後の被検査体の清掃作業を容易化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の第１実施形態を、図１及び図２を用いて説明する。図１は第１実施形態に係る超音波探触子の使用状態の断面図、図２はベントナイトの音響インピーダンスを他の主要な接触媒質の音響インピーダンスと比較して示すグラフ図である。
【００２９】
図１に示すように、第１実施形態に係る超音波探触子１Ａは、超音波信号の送受信を行う超音波振動子２と、該超音波振動子２の超音波送受波面３とは反対側の面に設けられるダンパー４と、これら超音波振動子２及びダンパー４を保持する絶縁性の保持体６と、該保持体６を収納する金属製のケース５と、該ケース５の上端部（ダンパー４が配置される側の端部）に設けられたコネクタ９と、上記超音波振動子２に備えられた図示しない上部電極及び下部電極と上記コネクタ９とを接続するリード線７，８と、上記ケース５の下端部（超音波送受波面３が配置される側の端部）に設けられた筒状のカップリング１１と、該カップリング１１内に充填されたベントナイト１０とからなる。
【００３０】
超音波振動子２は、上部電極及び下部電極の間に所要の圧電素子を挟み込んだもので、周面が保持体６の内面に接着される。本例の超音波振動子２は、下部電極が超音波送受波面３になっており、図示しない超音波探傷器の本体から出力される送信波により超音波振動子２が励振され、超音波送受波面３から接触媒質１０を介して被検査体１２中に超音波パルスが送信される。また、被検査体１２中の欠陥及び被検査体１２の底面にて反射した超音波パルスは、超音波振動子２で受信されて電気信号に変換され、コネクタ９を介して超音波探傷器の本体に送信される。
【００３１】
ダンパー４は、超音波振動子２の機械的自由振動を速やかに減少させ、超音波探触子１Ａの分解能を向上させる機能を有するものであり、例えば金属ブロックや、音響インピーダンスが高い金属粉を音響インピーダンスが低い樹脂材料に混ぜて成形したものなどが用いられる。ダンパー４は、超音波振動子２の背面、即ち、超音波送受波面とは反対側の面に接着される。
【００３２】
ケース５は、例えばアルミニウムなどの金属材料をもって所要の形状及びサイズに形成される。
【００３３】
保持体６は、超音波振動子２とケース５との間の絶縁を確保するためのものであって、樹脂材料をもって形成され、ケース５の内面に接着される。超音波振動子２の上部電極及び下部電極とコネクタ９とを接続するリード線７，８は、この保持体の内面に沿って配線される。
【００３４】
カップリング１１は、ケース５と同様に、アルミニウムなどの金属材料をもって形成され、ケース５に対して着脱可能に取り付けられる。ケース５に対するカップリング１１の取付手段としては、締結又は嵌合などを用いることができる。このように、ケース５に対してカップリング１１を着脱可能に構成すると、ケース５からカップリング１１を取り外すことにより、カップリング１１内へのベントナイト１０の充填を容易化できるので、超音波探触子１Ａの使用を便利にできると共に、被検査体１２の材質等に応じて含水比が異なるベントナイトを適宜カップリング１１内に充填し直すことができるので、多種の被検査体１２への超音波探触子１Ａの適用が容易になって、超音波探触子１Ａの汎用性を高めることができる。
【００３５】
超音波振動子２とダンパー４を接着する接着剤、超音波振動子２と保持体６を接着する接着剤、及び保持体６とケース５を接着する接着剤としては、耐放射線性に優れたＮｏｍｅｘやＣｏｎｅｘで代表されるアラミド樹脂等のポリアミド系樹脂が用いられる。また、ダンパー４を構成する樹脂材料及び保持体６を構成する樹脂材料としても、この種の耐放射線性の樹脂材料が用いられる。これにより、超音波探触子１Ａの耐放射線性を高めることができる。即ち、エポキシ樹脂の耐放射線性は約１０２Ｇｙ程度であるのに対して、ポリアミド樹脂は約１０７Ｇｙであるので、本例の超音波探触子１Ａは高放射線場で十分に利用することができる。
【００３６】
ベントナイト１０は、粘土鉱物モンモリロナイトを主成分とし、石英、α−クリストバライト、オパールなどの珪酸鉱物を副成分とした弱アルカリ性粘土岩の総称であり、音響インピーダンスが高く、チクソトロピー性及び耐放射線性を有し、材料コストが低く、かつ検査終了後における被検査体１２の洗浄が容易であることから、高放射線場で行われる超音波探傷用の接触媒質として特に適する。
【００３７】
即ち、図２に示すように、ベントナイト１０は、超音波探傷用の接触媒質として利用されることがある水の音響インピーダンス（１．５×１０５ｇ／ｃｍ２／ｓ）に比べて、約２．７倍の音響インピーダンスを有し、超音波探傷用の接触媒質として利用される他の代表的な物質であるグリセリン、ポリスチレン及びアクリルに比べても高い音響インピーダンスを有している。なお、図２は、水の音響インピーダンスを基準として規格化した各物質の音響インピーダンスを示している。このように音響インピーダンスの高い接触媒質を用いると、超音波探触子１Ａから被検査体１２への超音波の音響伝播性能が向上し、超音波反射波のＳＮ比が増加するので、精度よく被検査体１２の欠陥を検出できる。
【００３８】
また、ベントナイト１０に含有する元素は、地殻を構成する主要元素Ｓｉ，Ａｌ，Ｆｅなどで、一般的な岩石の化学組成と類似しており、水分子を容易に取り込む特質があり、乾燥させれば水分子を放出し、再び水と接触させれば容易に水を取り込む反復性もある。よって、繰り返し再使用することができる。そして、静止時は粘性が高いが、圧力負荷時（約０．１〜０．３ＭＰａ）は粘性が低くなるチクソトロピー性を有するため、これを超音波探傷用の接触媒質として用いると、超音波探傷時に超音波探触子１Ａと被検査体１２との密着性が増し、超音波探触子１Ａから被検査体１２への超音波の音響伝播性能を向上する。その結果、超音波反射波のＳＮ比が増加するので、精度よく被検査体１２の欠陥を検出できる。特に、コンクリートや岩石のように表面粗さが大きな被検査体１２についても、ベントナイト１０のチクソトロピー性を利用して、超音波探触子１Ａと被検査体１２との密着性を確保することができるので、良好な条件で超音波探傷を行うことができる。
【００３９】
また、ベントナイト１０は、放射性廃棄物の地層処分に使用される人口バリアの候補材であり、耐放射線性に優れる。したがって、ベントナイト１０を接触媒質として用いることにより、実用的な高放射線場で使用可能な超音波探触子とすることができる。
【００４０】
さらに、ベントナイト１０は、粘土の一種であり、地球上に豊富に存在しているので、安価であり、その価格は、他の市販の接触媒質と比較して約１／１０である。また、ベントナイト１０は、粘土の一種であることから、その固体粉末に水を加えて攪拌するだけで用意でき、超音波探傷前の準備作業を容易なものにできると共に、水で容易に洗浄でき、超音波探傷後の洗浄作業を容易なものにできる。よって、超音波探傷コストの低減を図ることもできる。
【００４１】
以下、上記のように構成された超音波探触子１Ａを用いた超音波探傷方法について説明する。
【００４２】
まず、ケース５からカップリング１１を取り外し、カップリング１１内に含水比が適宜調整されたベントナイト１０を充填する。即ち、ベントナイトの含水比は０％から４００％の範囲でチクソトロピー性を示し、含水比の大小によって超音波振動子駆動時の粘性が変化するので、被検査体１２の種類や表面粗さによって適宜含水比を変更する。例えば、被検査体１２の表面粗さが大きい場合には、ベントナイト１０の含水比を高くして超音波振動子駆動時のベントナイトの粘性を小さくし、被検査体１２表面へのベントナイトの密着性を高める。逆に、被検査体１２の表面粗さが小さい場合には、ベントナイト１０の含水比を低くして超音波振動子駆動時のベントナイトの粘性を大きくし、ベントナイト１０の流れ出しによる消費を抑制する。ベントナイト１０の充填後、カップリング１１をケース５に取り付ける。
【００４３】
次いで、カップリング１１の先端部を被検査体１２に接触させた後、図示しない超音波探傷器の本体を操作して、コネクタ９及びリード線７，８を介して超音波振動子２の上部電極及び下部電極に励起信号を送信し、超音波振動子２から超音波を送信する。
【００４４】
超音波振動子２から送信された超音波は、カップリング１１内に充填されたベントナイト１０を介して被検査体１２の内部に伝搬される。その際、ベントナイト１０は、超音波を受けて粘度が低下し、被検査体１２の表面に密着される。
【００４５】
被検査体１２の内部に伝搬された超音波は、被検査体内部の欠陥及び被検査体１２の底面で反射される。これらの超音波反射波は、超音波振動子２で受信されて電気信号に変換され、コネクタ９を介して超音波探傷器等の本体に送信される。これにより、欠陥の有無、欠陥の大きさ、及び欠陥の位置などを検出することができる。
【００４６】
以下、超音波振動子２から超音波を送信しつつ、超音波探触子１Ａを被検査体１２の面方向に走査して、必要な範囲の超音波探傷を行う。検査後は、必要に応じて、被検査体１２の表面を水洗する。
【００４７】
次に、本発明に係る超音波探触子の第２実施形態を、図３を用いて説明する。図３は第２実施形態に係る超音波探触子の使用状態の断面図である。
【００４８】
図３に示すように、本例の超音波探触子１Ｂは、ダンパー４の外面を耐放射線性のコーティング膜１３で覆ったことを特徴とする。コーティング膜１３は、放射線によるダンパー４の放射線劣化を防止するもので、ダンパー４の表面に気体透過バリアを形成して酸素の侵入を防ぐものが用いられる。本例においては、ダンパー４の周囲に厚さ約１００ｎｍのシリカ製のコーティング膜１３を形成した。このコーティング膜１３によれば、非特許文献４に記載されているように、約５．４×１０５Ｇｙの耐放射線性が期待できる。その他については、第１実施形態に係る超音波探触子１Ａと同じであるので、対応する部分に同一の符号を表記して、説明を省略する。
【００４９】
本例の超音波探触子１Ｂは、ダンパー４の外面を耐放射線性のコーティング膜１３で覆ったので、超音波探触子の耐放射線性をさらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１実施形態に係る超音波探触子の使用状態の断面図である。
【図２】ベントナイトの音響インピーダンスを他の主要な接触媒質の音響インピーダンスと比較して示すグラフ図である。
【図３】第２実施形態に係る超音波探触子の使用状態の断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１Ａ，１Ｂ 超音波探触子
２ 超音波振動子
３ 超音波送受波面
４ ダンパー
５ ケース
６ 保持体
７，８ リード線
９ コネクタ
１０ 接触媒質
１１ カップリング
１２ 被検査体
１３ コーティング膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力施設における高放射線場を有する鋼構造物やコンクリート構造物などの被検査体の内部欠陥を超音波の反射波を用いて探傷する超音波探触子と、これを用いた被検査体の超音波探傷方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼構造物やコンクリート構造物の内部欠陥を非破壊的に検査する超音波探傷装置の主要機器として、超音波探触子が利用されている。この超音波探触子は、超音波を被検査体中に伝播させ、欠陥部に衝突して反射する欠陥部反射波を検出することにより、被検査体内部のひび割れやボイド等の欠陥部を検出するものである。
【０００３】
このような超音波探傷を実施する場合、超音波探触子から送信される超音波を被検査体の内部に効率よく透過させるために、被検査体の表面に超音波探触子を密着させる必要がある。このため、被検査体の表面と超音波探触子との間に、超音波を伝播させる液状のグリセリンや油等の粘性を有する接触媒質を介在させることが不可欠である。
【０００４】
従来、一般産業用の超音波探触子として、軟質ゲル状物質などの接触媒質を超音波探触子と一体に設けた一体型構造の超音波探触子が提案されているが（例えば、特許文献１，２，３参照。）、従来提案されている接触媒質はいずれも耐放射線性を有せず、高放射線場においては短時間で放射線分解を起こし、その機能が喪失されやすい。
【０００５】
なお、医療用の超音波診断方法としては、検査用のコロイドクレイとしてベントナイトを使用する方法が従来提案されているが（例えば、特許文献４参照。）、この方法は、検査時に、ベントナイトを直接人体器官内に手作業で挿入し、検査時のコントラストを上げるものであるので、高放射線場での使用には到底適用し得ない。
【０００６】
また、従来の超音波探触子は、例えば超音波振動子とケースとの接合にエポキシ樹脂系の接着剤を使用しており、エポキシ樹脂の耐放射線性は約１００Ｇｙ程度と低いため、１００Ｇｙ／ｈのような高放射線環境下のガラス固化施設等においては、数時間で接着剤層に亀裂が生じ、使用が不可能になる。
【０００７】
さらに、ダンパーとして音響インピーダンスが高い金属粉と音響インピーダンスが低いエポキシ系樹脂やポリウレタン系樹脂を用いて成形したものが従来知られているが（例えば、特許文献４参照。）、この種のダンパーを用いた超音波探触子は、高放射線場で使用すると、短時間のうちにダンパーが破壊されて、使用が不可能になる。
【０００８】
本発明において、超音波探傷用の接触媒質として使用するベントナイトは、チクソトロピー性を有する材料であり、チクソトロピー性とは、力が作用すると粘性が可逆的に減少する現象である（例えば、非特許文献１参照。）。つまり、このベントナイトを接触媒質として利用すると、静止時は粘性が高いが、圧力負荷時は粘性が低くなるため、超音波探触子と被検査体との密着性が増し、超音波の伝播特性が増加する。特に、コンクリートや岩石のような表面粗さが大きい材料の超音波探傷に適用すれば、表面の凹部内に接触媒質であるベントナイトが充填され、効率よく超音波探傷性能を増すことが期待できる。
【０００９】
ベントナイトは、放射性廃棄物の地層処分に使用される人口バリアの候補材であり、廃棄体パッケージから放射される表面線量率４×１０４Ｇｙ／ｙ程度の放射線場でも実績がある（例えば、非特許文献２参照。）。
【００１０】
また、耐放射線性の樹脂材料に関しては、Ｎｏｍｅｘ（デュポン社の商品名）やＣｏｎｅｘ（テイジン社の商品名）で代表されるアラミド樹脂等のポリアミド系樹脂が、エポキシ系樹脂に比較して優れていることが知られている（例えば、非特許文献３参照。）。
【００１１】
その他、最近脚光を浴びている耐放射線性材料としては、高分子材料内部への酸素透過を抑制することで、耐放射線性を向上させたシリカ系の薄膜を利用した材料が一部実用化されている（例えば、非特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開２００５−２４１３３７号公報
【特許文献２】特開平５−２７７１０４号公報
【特許文献３】特開平３−２９６６５８号公報
【特許文献４】特表２００５−５２４７１１号公報
【特許文献５】特開平８−１０５８７０号公報
【非特許文献１】加藤祐哉：チクソトロピー性状を示すグラウトの性状に関する研究、第５７回年次学術講演会講演概要集、土木学会、ｐｐ．７７３−７７４−１４０８（２００２）
【非特許文献２】原子力委員会 長半減期低発熱放射性廃棄物処分技術検討会（第４回）議事録 平成１８年２月２０日(月)１０：００〜１１：５７ ４Ｐ
【非特許文献３】樋口忠男：耐放射線有機材料、放射線と産業、（６６）、５（１９９５）
【非特許文献４】小林慶規：シリカ膜による高分子の耐放射線性の向上、産総研ＴＯＤＡＹ ２００６−０１ ｐｐ．２４−２５ （２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のように、従来型の超音波探触子は、被検査体の表面に超音波探触子を密着させるための接触媒質としてグリセリンや油等を用いるので、耐放射線性に劣り、短時間のうちに使用が不可能になる。また、超音波振動子とケースとの接合などにエポキシ樹脂系の接着剤を使用すると共に、ダンパーの構成材料としてエポキシ樹脂を用いているので、この点からも耐放射線性に劣り、短時間のうちに使用が不可能になる。さらに、従来型の超音波探触子は、検査毎に被検査体の表面にグリセリンや油などの接触媒質を塗るので、検査の準備作業に多大の労力を要すると共に、試験後においては被検査体の表面に塗布されたグリセリンや油などを除去しなくてはならないので、検査後の被検査体の清掃作業に多大の労力を要するという問題もある。
【００１３】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消するためになされたものであって、その目的は、高放射線場においても被検査体の超音波探傷が可能で、接触媒質を繰返し使用でき、かつ検査前後の作業が容易な超音波探触子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記目的を達成するため、超音波探触子に関しては、第１に、超音波信号の送受信を行う超音波振動子と、該超音波振動子の超音波送受波面とは反対側の面に設けられるダンパーと、これら超音波振動子及びダンパーを保持する絶縁性の保持体と、上記保持体を収納する金属製のケースと、該ケースに設けられた筒状のカップリングとを備え、上記カップリング内に上記超音波振動子の超音波送受波面と被検査体との間に介在される超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトを充填するという構成にした。
【００１５】
ベントナイトは、チクソトロピー性を有するので、超音波振動子から送信される超音波を受けて粘性が減少し、超音波振動子と被検査体の間を埋める接触媒質として機能する。また、ベントナイトは、耐放射線性及び音響インピーダンスが高い材料であるので、これを接触媒質として用いることにより、超音波探触子の耐放射線性及び検出信号のＳＮ比を高めることができる。さらに、ベントナイトは、水で容易に洗浄できるので、検査後の被検査体の清掃作業を容易化することができる。加えて、ベントナイトをカップリング内に充填すると、検査毎に被検査体の表面に接触媒質を塗布する必要がないので、検査前の準備作業を容易化することができる。
【００１６】
また本発明は、超音波探触子に関して第２に、上記第１の構成の超音波探触子において、上記超音波振動子と上記ダンパー、上記超音波振動子と上記保持体、及び上記保持体と上記ケースを、耐放射線性の接着剤を用いて接着するという構成にした。
【００１７】
かかる構成によると、接着部の耐放射線性を高めることができるので、高放射線場で使用可能な超音波探触子とすることができる。
【００１８】
また本発明は、超音波探触子に関して第３に、上記第１の構成の超音波探触子において、上記ダンパーの外面を耐放射線性のコーティング膜で覆うという構成にした。
【００１９】
かかる構成によると、ダンパーの耐放射線性を高めることができるので、高放射線場で使用可能な超音波探触子とすることができる。
【００２０】
また本発明は、超音波探触子に関して第４に、上記第１の構成の超音波探触子において、上記ケースに対して上記カップリングを着脱可能に取り付けるという構成にした。
【００２１】
かかる構成によると、カップリング内へのベントナイトの充填が容易になるので、被検査体の材質等に応じて含水比が異なるベントナイトを容易にカップリング内に充填でき、多用途への超音波探触子の適用が容易になる。
【００２２】
一方、本発明は、超音波探傷方法に関して、第１に、超音波信号の送受信を行う超音波振動子と、該超音波振動子の超音波送受波面とは反対側の面に設けられるダンパーと、これら超音波振動子及びダンパーを保持する絶縁性の保持体と、上記保持体を収納する金属製のケースと、該ケースに設けられた筒状のカップリングとを備え、上記カップリング内に上記超音波振動子の超音波送受波面と被検査体との間に介在される超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトを充填した超音波探触子を用い、上記カップリングの先端部を上記被検査体の表面に接触させた状態で上記超音波振動子の超音波送受波面からベントナイトに超音波を送信し、上記ベントナイトの粘性を低下させて上記被検査体内部の探傷を行うという構成にした。
【００２３】
かかる構成によると、カップリング内に超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトが充填された超音波探触子を用いるので、超音波探触子の耐放射線性及びＳＮ比が高められると共に、検査前の準備作業及び検査後の被検査体の清掃作業を容易化することができる。
【００２４】
また本発明は、超音波探傷方法に関して第２に、上記第１の構成の超音波探傷方法において、上記被検査体の表面粗さが大きい場合には上記ベントナイトの含水比を高くし、上記被検査体の表面粗さが小さい場合には上記ベントナイトの含水比を低くするという構成にした。
【００２５】
かかる構成によると、被検査体の表面粗さが大きい場合には、ベントナイトの粘性を小さくして、被検査体表面へのベントナイトの密着性を高めることができる。また、被検査体の表面粗さが小さい場合には、ベントナイトの粘性を大きくして、ベントナイトの流れ出しによる消費を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の超音波探触子は、カップリング内に超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトを充填してなるので、超音波探触子の耐放射線性及びＳＮ比が高められると共に、検査前の準備作業及び検査後の被検査体の清掃作業を容易化することができる。
【００２７】
また、本発明の超音波探傷方法は、カップリング内に超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトが充填された超音波探触子を用いるので、超音波探触子の耐放射線性及びＳＮ比が高められると共に、検査前の準備作業及び検査後の被検査体の清掃作業を容易化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の第１実施形態を、図１及び図２を用いて説明する。図１は第１実施形態に係る超音波探触子の使用状態の断面図、図２はベントナイトの音響インピーダンスを他の主要な接触媒質の音響インピーダンスと比較して示すグラフ図である。
【００２９】
図１に示すように、第１実施形態に係る超音波探触子１Ａは、超音波信号の送受信を行う超音波振動子２と、該超音波振動子２の超音波送受波面３とは反対側の面に設けられるダンパー４と、これら超音波振動子２及びダンパー４を保持する絶縁性の保持体６と、該保持体６を収納する金属製のケース５と、該ケース５の上端部（ダンパー４が配置される側の端部）に設けられたコネクタ９と、上記超音波振動子２に備えられた図示しない上部電極及び下部電極と上記コネクタ９とを接続するリード線７，８と、上記ケース５の下端部（超音波送受波面３が配置される側の端部）に設けられた筒状のカップリング１１と、該カップリング１１内に充填されたベントナイト１０とからなる。
【００３０】
超音波振動子２は、上部電極及び下部電極の間に所要の圧電素子を挟み込んだもので、周面が保持体６の内面に接着される。本例の超音波振動子２は、下部電極が超音波送受波面３になっており、図示しない超音波探傷器の本体から出力される送信波により超音波振動子２が励振され、超音波送受波面３から接触媒質１０を介して被検査体１２中に超音波パルスが送信される。また、被検査体１２中の欠陥及び被検査体１２の底面にて反射した超音波パルスは、超音波振動子２で受信されて電気信号に変換され、コネクタ９を介して超音波探傷器の本体に送信される。
【００３１】
ダンパー４は、超音波振動子２の機械的自由振動を速やかに減少させ、超音波探触子１Ａの分解能を向上させる機能を有するものであり、例えば金属ブロックや、音響インピーダンスが高い金属粉を音響インピーダンスが低い樹脂材料に混ぜて成形したものなどが用いられる。ダンパー４は、超音波振動子２の背面、即ち、超音波送受波面とは反対側の面に接着される。
【００３２】
ケース５は、例えばアルミニウムなどの金属材料をもって所要の形状及びサイズに形成される。
【００３３】
保持体６は、超音波振動子２とケース５との間の絶縁を確保するためのものであって、樹脂材料をもって形成され、ケース５の内面に接着される。超音波振動子２の上部電極及び下部電極とコネクタ９とを接続するリード線７，８は、この保持体の内面に沿って配線される。
【００３４】
カップリング１１は、ケース５と同様に、アルミニウムなどの金属材料をもって形成され、ケース５に対して着脱可能に取り付けられる。ケース５に対するカップリング１１の取付手段としては、締結又は嵌合などを用いることができる。このように、ケース５に対してカップリング１１を着脱可能に構成すると、ケース５からカップリング１１を取り外すことにより、カップリング１１内へのベントナイト１０の充填を容易化できるので、超音波探触子１Ａの使用を便利にできると共に、被検査体１２の材質等に応じて含水比が異なるベントナイトを適宜カップリング１１内に充填し直すことができるので、多種の被検査体１２への超音波探触子１Ａの適用が容易になって、超音波探触子１Ａの汎用性を高めることができる。
【００３５】
超音波振動子２とダンパー４を接着する接着剤、超音波振動子２と保持体６を接着する接着剤、及び保持体６とケース５を接着する接着剤としては、耐放射線性に優れたＮｏｍｅｘやＣｏｎｅｘで代表されるアラミド樹脂等のポリアミド系樹脂が用いられる。また、ダンパー４を構成する樹脂材料及び保持体６を構成する樹脂材料としても、この種の耐放射線性の樹脂材料が用いられる。これにより、超音波探触子１Ａの耐放射線性を高めることができる。即ち、エポキシ樹脂の耐放射線性は約１０２Ｇｙ程度であるのに対して、ポリアミド樹脂は約１０７Ｇｙであるので、本例の超音波探触子１Ａは高放射線場で十分に利用することができる。
【００３６】
ベントナイト１０は、粘土鉱物モンモリロナイトを主成分とし、石英、α−クリストバライト、オパールなどの珪酸鉱物を副成分とした弱アルカリ性粘土岩の総称であり、音響インピーダンスが高く、チクソトロピー性及び耐放射線性を有し、材料コストが低く、かつ検査終了後における被検査体１２の洗浄が容易であることから、高放射線場で行われる超音波探傷用の接触媒質として特に適する。
【００３７】
即ち、図２に示すように、ベントナイト１０は、超音波探傷用の接触媒質として利用されることがある水の音響インピーダンス（１．５×１０５ｇ／ｃｍ２／ｓ）に比べて、約２．７倍の音響インピーダンスを有し、超音波探傷用の接触媒質として利用される他の代表的な物質であるグリセリン、ポリスチレン及びアクリルに比べても高い音響インピーダンスを有している。なお、図２は、水の音響インピーダンスを基準として規格化した各物質の音響インピーダンスを示している。このように音響インピーダンスの高い接触媒質を用いると、超音波探触子１Ａから被検査体１２への超音波の音響伝播性能が向上し、超音波反射波のＳＮ比が増加するので、精度よく被検査体１２の欠陥を検出できる。
【００３８】
また、ベントナイト１０に含有する元素は、地殻を構成する主要元素Ｓｉ，Ａｌ，Ｆｅなどで、一般的な岩石の化学組成と類似しており、水分子を容易に取り込む特質があり、乾燥させれば水分子を放出し、再び水と接触させれば容易に水を取り込む反復性もある。よって、繰り返し再使用することができる。そして、静止時は粘性が高いが、圧力負荷時（約０．１〜０．３ＭＰａ）は粘性が低くなるチクソトロピー性を有するため、これを超音波探傷用の接触媒質として用いると、超音波探傷時に超音波探触子１Ａと被検査体１２との密着性が増し、超音波探触子１Ａから被検査体１２への超音波の音響伝播性能を向上する。その結果、超音波反射波のＳＮ比が増加するので、精度よく被検査体１２の欠陥を検出できる。特に、コンクリートや岩石のように表面粗さが大きな被検査体１２についても、ベントナイト１０のチクソトロピー性を利用して、超音波探触子１Ａと被検査体１２との密着性を確保することができるので、良好な条件で超音波探傷を行うことができる。
【００３９】
また、ベントナイト１０は、放射性廃棄物の地層処分に使用される人口バリアの候補材であり、耐放射線性に優れる。したがって、ベントナイト１０を接触媒質として用いることにより、実用的な高放射線場で使用可能な超音波探触子とすることができる。
【００４０】
さらに、ベントナイト１０は、粘土の一種であり、地球上に豊富に存在しているので、安価であり、その価格は、他の市販の接触媒質と比較して約１／１０である。また、ベントナイト１０は、粘土の一種であることから、その固体粉末に水を加えて攪拌するだけで用意でき、超音波探傷前の準備作業を容易なものにできると共に、水で容易に洗浄でき、超音波探傷後の洗浄作業を容易なものにできる。よって、超音波探傷コストの低減を図ることもできる。
【００４１】
以下、上記のように構成された超音波探触子１Ａを用いた超音波探傷方法について説明する。
【００４２】
まず、ケース５からカップリング１１を取り外し、カップリング１１内に含水比が適宜調整されたベントナイト１０を充填する。即ち、ベントナイトの含水比は０％から４００％の範囲でチクソトロピー性を示し、含水比の大小によって超音波振動子駆動時の粘性が変化するので、被検査体１２の種類や表面粗さによって適宜含水比を変更する。例えば、被検査体１２の表面粗さが大きい場合には、ベントナイト１０の含水比を高くして超音波振動子駆動時のベントナイトの粘性を小さくし、被検査体１２表面へのベントナイトの密着性を高める。逆に、被検査体１２の表面粗さが小さい場合には、ベントナイト１０の含水比を低くして超音波振動子駆動時のベントナイトの粘性を大きくし、ベントナイト１０の流れ出しによる消費を抑制する。ベントナイト１０の充填後、カップリング１１をケース５に取り付ける。
【００４３】
次いで、カップリング１１の先端部を被検査体１２に接触させた後、図示しない超音波探傷器の本体を操作して、コネクタ９及びリード線７，８を介して超音波振動子２の上部電極及び下部電極に励起信号を送信し、超音波振動子２から超音波を送信する。
【００４４】
超音波振動子２から送信された超音波は、カップリング１１内に充填されたベントナイト１０を介して被検査体１２の内部に伝搬される。その際、ベントナイト１０は、超音波を受けて粘度が低下し、被検査体１２の表面に密着される。
【００４５】
被検査体１２の内部に伝搬された超音波は、被検査体内部の欠陥及び被検査体１２の底面で反射される。これらの超音波反射波は、超音波振動子２で受信されて電気信号に変換され、コネクタ９を介して超音波探傷器等の本体に送信される。これにより、欠陥の有無、欠陥の大きさ、及び欠陥の位置などを検出することができる。
【００４６】
以下、超音波振動子２から超音波を送信しつつ、超音波探触子１Ａを被検査体１２の面方向に走査して、必要な範囲の超音波探傷を行う。検査後は、必要に応じて、被検査体１２の表面を水洗する。
【００４７】
次に、本発明に係る超音波探触子の第２実施形態を、図３を用いて説明する。図３は第２実施形態に係る超音波探触子の使用状態の断面図である。
【００４８】
図３に示すように、本例の超音波探触子１Ｂは、ダンパー４の外面を耐放射線性のコーティング膜１３で覆ったことを特徴とする。コーティング膜１３は、放射線によるダンパー４の放射線劣化を防止するもので、ダンパー４の表面に気体透過バリアを形成して酸素の侵入を防ぐものが用いられる。本例においては、ダンパー４の周囲に厚さ約１００ｎｍのシリカ製のコーティング膜１３を形成した。このコーティング膜１３によれば、非特許文献４に記載されているように、約５．４×１０５Ｇｙの耐放射線性が期待できる。その他については、第１実施形態に係る超音波探触子１Ａと同じであるので、対応する部分に同一の符号を表記して、説明を省略する。
【００４９】
本例の超音波探触子１Ｂは、ダンパー４の外面を耐放射線性のコーティング膜１３で覆ったので、超音波探触子の耐放射線性をさらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１実施形態に係る超音波探触子の使用状態の断面図である。
【図２】ベントナイトの音響インピーダンスを他の主要な接触媒質の音響インピーダンスと比較して示すグラフ図である。
【図３】第２実施形態に係る超音波探触子の使用状態の断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１Ａ，１Ｂ 超音波探触子
２ 超音波振動子
３ 超音波送受波面
４ ダンパー
５ ケース
６ 保持体
７，８ リード線
９ コネクタ
１０ 接触媒質
１１ カップリング
１２ 被検査体
１３ コーティング膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号の送受信を行う超音波振動子と、該超音波振動子の超音波送受波面とは反対側の面に設けられるダンパーと、これら超音波振動子及びダンパーを保持する絶縁性の保持体と、上記保持体を収納する金属製のケースと、該ケースに設けられた筒状のカップリングとを備え、上記カップリング内に上記超音波振動子の超音波送受波面と被検査体との間に介在される超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトを充填したことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
上記超音波振動子と上記ダンパー、上記超音波振動子と上記保持体、及び上記保持体と上記ケースを、耐放射線性の接着剤を用いて接着したことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
上記ダンパーの外面を耐放射線性のコーティング膜で覆ったことを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
上記ケースに対して上記カップリングを着脱可能に取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項５】
超音波信号の送受信を行う超音波振動子と、該超音波振動子の超音波送受波面とは反対側の面に設けられるダンパーと、これら超音波振動子及びダンパーを保持する絶縁性の保持体と、上記保持体を収納する金属製のケースと、該ケースに設けられた筒状のカップリングとを備え、上記カップリング内に上記超音波振動子の超音波送受波面と被検査体との間に介在される超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトを充填した超音波探触子を用い、上記カップリングの先端部を上記被検査体の表面に接触させた状態で上記超音波振動子の超音波送受波面からベントナイトに超音波を送信し、上記ベントナイトの粘性を低下させて上記被検査体内部の探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項６】
上記被検査体の表面粗さが大きい場合には上記ベントナイトの含水比を高くし、上記被検査体の表面粗さが小さい場合には上記ベントナイトの含水比を低くすることを特徴とする請求項５に記載の超音波探傷方法。
【請求項１】
超音波信号の送受信を行う超音波振動子と、該超音波振動子の超音波送受波面とは反対側の面に設けられるダンパーと、これら超音波振動子及びダンパーを保持する絶縁性の保持体と、上記保持体を収納する金属製のケースと、該ケースに設けられた筒状のカップリングとを備え、上記カップリング内に上記超音波振動子の超音波送受波面と被検査体との間に介在される超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトを充填したことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
上記超音波振動子と上記ダンパー、上記超音波振動子と上記保持体、及び上記保持体と上記ケースを、耐放射線性の接着剤を用いて接着したことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
上記ダンパーの外面を耐放射線性のコーティング膜で覆ったことを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
上記ケースに対して上記カップリングを着脱可能に取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項５】
超音波信号の送受信を行う超音波振動子と、該超音波振動子の超音波送受波面とは反対側の面に設けられるダンパーと、これら超音波振動子及びダンパーを保持する絶縁性の保持体と、上記保持体を収納する金属製のケースと、該ケースに設けられた筒状のカップリングとを備え、上記カップリング内に上記超音波振動子の超音波送受波面と被検査体との間に介在される超音波探傷用の接触媒質としてベントナイトを充填した超音波探触子を用い、上記カップリングの先端部を上記被検査体の表面に接触させた状態で上記超音波振動子の超音波送受波面からベントナイトに超音波を送信し、上記ベントナイトの粘性を低下させて上記被検査体内部の探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項６】
上記被検査体の表面粗さが大きい場合には上記ベントナイトの含水比を高くし、上記被検査体の表面粗さが小さい場合には上記ベントナイトの含水比を低くすることを特徴とする請求項５に記載の超音波探傷方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−３０９７５４（Ｐ２００８−３０９７５４Ａ）
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６０４４８（Ｐ２００７−１６０４４８）
【出願日】平成１９年６月１８日（２００７．６．１８）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１８日（２００７．６．１８）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
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