非破壊検査用の線源 (08-01-03-11)

＜本文＞
１．はじめに
　工業用非破壊検査の重要な方法の一つである放射線透過試験（ラジオグラフィ）において、広く用いられている放射線は、Ｘ線、γ線および中性子線である。Ｘ線、γ線はいずれも波長の短い電磁波で、金属体を透過し、その内部の欠陥・異常を検出する能力に優れているため、主として鋼板や鋼管の溶接部などの健全性検査、食品中の異物混入検査などに用いられる。波長が短いほど（すなわち高エネルギーになるほど）透過能力が大きくなるので、検査対象物の厚さに応じて、適当なエネルギーのＸ線またはγ線源が選ばれる。一方、中性子線は電荷を持たない粒子線で、水素含有物質や核燃料物質等、Ｘ線、γ線では検査が難しい対象物の非破壊検査に威力を発揮するため、種々の中性子源が用途に応じて使用されている。以下に各種線源とそれらを用いる装置の概要について述べる。
２．線源および装置
2.1 Ｘ線
2.1.1 Ｘ線源
　通常の工業用Ｘ線源は、Ｘ線管、高電圧発生器および制御器からなる。Ｘ線管の陰極フィラメントを加熱して熱電子を放出させ、陰極陽極間に高電圧を与えると、電子は陰極から陽極の方向に引き付けられ加速されるため、電圧に対応した大きな運動エネルギー（例えば、電圧100kVのとき100keV）を持って陽極のターゲットに衝突する。このときエネルギーの大部分は熱に変わるが、一部はＸ線となって照射口から放射される。電子が衝突する場所、すなわちＸ線が発生する場所を焦点という。Ｘ線管の構造例を図１に示す。同図内で下方に放射されるＸ線束の実効焦点（実効的な線源寸法）Ｂが小さいほど解像度のよい鮮明なＸ線透過像が得られる。放射Ｘ線は、上記の電子運動エネルギーを最大値とする連続的なエネルギー分布をしている。
　これら通常のＸ線および後述のγ線より透過力の大きい高エネルギーＸ線源が、圧力容器など大型構造物の溶接検査等に必要となり、もともとは原子核物理学の研究用に開発された粒子加速器が工業分野にも応用されるようになった。近年、非破壊検査用の高エネルギーＸ線装置として実用化・普及にもっとも成功したのは、電子線型加速器（ライナックまたはリニアックともいう）である。すなわち、高周波の電場の変化を巧みに利用して直線状の加速管内で電子を高エネルギーになるまで加速した後、金属ターゲットに衝突させ、Ｘ線を発生させるものである。
2.1.2 Ｘ線装置
　通常型Ｘ線装置には、Ｘ線管、高電圧発生器、制御器が分離されている据置式と、Ｘ線管、高電圧発生器が一体となり、一つの容器に収納されている携帯式とがある。据置式は冷却系が別途に設けられており、長時間安定したＸ線が得られるが、移動使用は難しい。他方、携帯式は現場での移動使用に適しているが、長時間連続照射には適していない。管電圧は携帯式でふつう70〜300kV（鉄の数mm〜60mm厚さの検査に適用可：比重の小さい物ではその比率で厚いものに対応）、全体的には10〜450kV（いずれも交流ピーク値）の装置が使用されている。
　電子線型加速器ライナックを用いた高エネルギーＸ線装置（ヘッド、電源キュービクル、制御盤からなる）のヘッド部の構造例を図２に示す。中央の加速管を左から右へ加速されながら走行した高速電子の線束が、Ｑマグネットで集束され、ターゲット内でＸ線に変換され、生じた高エネルギーＸ線は右方に放射される。電子エネルギーで４〜12MeVの装置が多く使われている。
2.2 γ線
2.2.1 γ線源
　放射線透過試験用のγ線源としては、表１のような放射性同位元素（放射性同位体、ラジオアイソトープ、ＲＩ）がある。γ線のエネルギーが対象とする試験体に適し、かつ、できるだけ小さい実効線源寸法で、大きい放射線出力の得られる（比放射能が高い）ものが望まれ、ＲＩとしてイリジウム192およびコバルト60が多く用いられてきた。表１のＲＩは、セシウム137（ウランの核分裂生成物）以外は、すべて、それぞれ同じ元素の単体金属または酸化物を原料として、原子炉内で熱中性子照射し、放射化反応によって生成されたものである。生成されたＲＩは金属カプセルに封入し密封線源として利用される。これらのγ線源は、一般に、前述のＸ線源に比し外形寸法が著しく小さく、細い管内や狭い隙間に線源を挿入できること、駆動電力が不要で移動性に富んでいることなどの特徴を有している。
　（1）イリジウム192（表１参照）
　半減期は比較的短い（73.8日）が、多数の異なるエネルギーのγ線を放出し、その実効エネルギーが400keVと適当であるため、広範囲に使用され、最も代表的な非破壊検査用γ線源として民間企業では647台（2004年3月）の検査装置に使用されている。
　（2）コバルト60（表１参照）
　γ線の実効エネルギーがイリジウム192より約３倍高いので、比較的厚物の鋼材・構造物などの検査に民間企業では143台（2004年3月）が用いられている。
　（3）イッテルビウム169（表１参照）
　近年、薄肉小口径配管溶接部等の現場、とくにＸ線装置が使用できない場所での検査に最適の低エネルギーγ線として開発され、その利用・普及が進んでいる。英国の再処理工場建設時に開発・使用された線源である。細管の溶接箇所が数多くある六ヶ所村の再処理工場建設現場で非破壊検査線源として採用された実績がある。
　（4）セレン75（表１参照）
　半減期がイッテルビウム169やイリジウム192に比べて長く（120日）、実効エネルギーがイッテルビウムとイリジウムの中間にあるため、欧州ではイッテルビウムよりも普及している。他のものと比べて比放射能の高い線源を製造し難いのが欠点である。
2.2.2 γ線装置
　γ線装置では、ＲＩ線源の特徴を活かし、線源を容器からフレキシブルワイヤなどで容器外の所定の照射位置まで繰り出し、全方向パノラマ照射をできるようにしたものが多い。比較的高線量の線源を用いた線源固定式の装置では、シャッターの開閉により、単一方向あるいは２π方向照射ができるようになっている。
　γ線装置の線源容器は、貯蔵容器および輸送容器を兼ねているので、遮へい能力の十分な厚さの鉛でつくられている。携帯式のものでは比重の高いタングステン合金を使用して小型・軽量化されているものが多い。その例を図３に示す。３〜５ｍのフレキシブルなパイプ（伝送管）を左側、５〜10ｍのワイヤレリーズ誘導管（操作管）を右側の各接続口に取り付け、遠隔操作により線源を照射位置まで送り出すことができる。
2.3 中性子線
2.3.1 中性子線源
　ラジオグラフィに用いる中性子源としては、原子炉、加速器およびＲＩがある。原子炉は最も強い中性子源であり、良質の熱中性子ビーム（冷中性子、高速中性子の場合もある）が得られるが、試験体の施設内への持ち込み、ラジオグラフ撮影後の持ち出しに制限があることが多い。加速器の場合は、陽子または重陽子ビームをベリリウムあるいはトリチウムのターゲットに衝突させ、核反応で生じた高速中性子を、通常熱中性子まで減速して使用する。中性子源としては原子炉に次いで強く、小型の装置では移動可能なものもある。ＲＩ中性子源は中性子線強度が低いが、移動性に富み、操作も簡単であるという特徴を有する。ＲＩでは、カリホルニウム（Cf）252線源が最も強い中性子源で、中性子に随伴するγ線があまり強くない利点もあり、とくに海外において比較的多く用いられている。
2.3.2 中性子発生装置
　わが国に設置されている中性子ラジオグラフィ設備を表２に、また、図４、図５に原子炉、加速器を用いた装置の代表的な例を示す。
　原子炉の場合は、いずれも研究用原子炉が利用されており、炉心部から実験孔を通して方向の揃った熱中性子ビームを引き出し使用する。解像度の良い透過像を得るには、できる限り、炉心側の孔径Ｄを小さくし、被写体までの距離Ｌを長くとる（Ｌ／Ｄを大きくする）ことが望ましい。また、熱中性子の全中性子に対する比率を高めるには、図４に見られるように、炉心から直接、ビーム（radial beam）を引き出さずに、その中間に重水タンクを設置しておく方法（tangential beam）が汎用される。
　加速器の場合は、強い中性子出力の得やすいサイクロトロン、ライナックなどが望ましい。わが国で業務用として実用に供されているのは、小型サイクロトロンである（表２）。図５の小型サイクロトロンは宇宙開発事業団（現宇宙航空研究開発機構）のロケット部品（火工品）の検査に1983年以来、日常的に使われている。また、2006年（平成18年）度には大強度陽子加速器のビーム試験が始まる。実用的ではないが得られる強力なパルス中性子線による新たな技術開発が期待されている。
　放射性同位体では、²⁵²Cf線源利用装置が、その移動容易性を活かして、米国等で軍用航空機の機体検査などに用いられている。図６は日本原子力研究所（現日本原子力研究開発機構）（大洗）で研究用に製作、使用されていたもので、１mg（20GBq）の²⁵²Cf線源が装備可能な、移動型熱中性子ラジオグラフィ照射装置である。アンチモン（¹²⁴Sb）／ベリリウム中性子源は、強いγ線を伴い、かつ、半減期が短いため、一般には利用し難いが、イザール１原子力発電所（独）の核燃料貯蔵ポンドにおける制御棒の検査（37TBqの¹²⁴Sb使用）のように、実用に供された例もある。
３．ＲＩ線源、放射線発生装置等の取扱いについて
　上記ＲＩ線源および放射線発生装置（１MeV未満のＸ線装置は除く）を使用するには、法令（放射線障害防止法）に基ずき、施設要件等を満たし許可を受けるとともに、安全管理の監督を行う放射線取扱主任者（ＲＩ線源の合計放射能が370GBq以下では第２種でもよいが、それを超えたときと放射線発生装置の場合は第１種免状が必要）を置かなければならない。１MeV未満のＸ線装置の取扱いには、別の法令（労働安全衛生法、電離放射線障害防止規則）の適用を受け、エックス線作業主任者の選任が必要とされている。

＜図／表＞

＜参考文献＞
（1）日本アイソトープ協会（編）:アイソトープ便覧（改定３版）、丸善（1984）、p.597-601
（2）日本非破壊検査協会（編）:非破壊検査便覧（新版）、日刊工業新聞社（1978）、p.251-269
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（4）日本非破壊検査協会（編集、発行）:放射線透過試験Ｉ， p.9（1989）
（5）藤根成勲：Ｘ．中性子ラジオグラフィ、１.中性子ラジオグラフィの概要、 Radio-isotopes，Vol.46，No.7，480-487（1997）
（6）日本原子力研究所東海研究所研究炉部（編集、発行）：研究炉利用ハンドブック，p.270（1995年2月）
（7）松永浩史、戸田陽二郎、山添　智：５.小型サイクロトロンによる中性子ラジオグラフィー国産ロケットの火工品−， Radioisotopes， Vol.46，No.8，573-578（1997）
（8）和田延夫:１mg²⁵²Cf中性子源による熱中性子ラジオグラフィ、日本原子力学会誌、Vol.30，No.7，610-616（1988）
（9）L.Greim，F.Borchers，M.Greim，G.W.Schumacher： Neutron Radiography Facility in a Storage Pond of a Nuclear Power Station Equipped with Antimony-Beryllium Neutron Source，”Neutron Radiography”（World Conference on Neutron Radiography，1986，Paris），D.Reidel Publishing Co.，p.367-374（1987）
（10）日本アイソトープ協会（編）：中性子による計測と利用、丸善（1999.5）、p.167