小型高能X射线检测装置,桥梁等社会公共设施无损检测的利器

产学研合作系列 2018年03月27日

◆ 开发概要

株式会社Accuthera开发出了桌面大小的、采用电子直线加速器方式的便携式高能X射线发生装置。该装置使得以往很难进行无损检测的构造物、现场设备等也可通过X射线透视图像的拍摄实现现场检测。这是日本产学官三方合作的成果。

◆ 开发过程

20世纪60年代后半,日本经济高速成长期建设的数量庞大的产业设施、高速公路、桥梁、隧道等社会基础设施陆续迎来了50年使用寿命。然而,目前尚未找到行之有效的检测维护手段。

要开展高效切实的检测维护,采用无损检测技术对设施的外观和内部结构进行老化检测诊断是一种行之有效的方式。但是对于大型构造物而言,即便是以往已经实现商品化的300Kv X射线管,其透视拍摄能力也有限。所以产业设施的维护现场、桥梁等社会基础设施检测现场,通过维护设备学会等机构,提出了导入更加高能的X射线装置的要求。

在此需求背景下,东京大学大学院工学系研究科核能专业(东京大学原子力研究综合中心东海分室,以下简称“东大核能专业”),大约10年前就开始研究超小型电子直线性加速器的开发和应用。鉴于株式会社Accuthera具有超小型电子直线性加速器的技术,所以与东京大学合作组建了“地区新生合作研究开发项目”,从硬件的制作到电子束加速实验、再到X射线发生实验等,分阶段推进了相关开发。

2010年度,在日本“地区产学官共同研究基地整备事业”中,茨城县需要 “能量选择型高精度无损X射线检测系统开发试验装置”,通过国际投标后, Accuthera开发的装置被采纳。茨城县把该装置设置在了东大核能专业,开始开发高能X线无损检测技术。

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照片1 化学工厂:1965年代建设的设备,外表开始腐蚀

◆ 技术上的突破

Accuthera开发的高能X射线装置利用共振原理,将9.3GHz的电磁波封闭在超小型加速管内,对电子枪射出的直径1.2mm的电子束进行加速,使其撞击钨阴极,由此产生950keV以及3.95MeV的强力X射线。与以往用于物理实验等的,采用2.4GHz电磁波的电子加速器相比,该装置的加速管长度仅为前者的三分之一,总重量仅为前者的十分之一,是一种紧凑仅有桌面大小的便携式高能X射线装置。

较小的体积,使得在检测现场中十分需要,但实现起来又极为困难的,在高处和狭小部位设置检测平台,平台上配备X射线装置对复杂结构设备进行无损检测和动作检测的方法成为可能。

便携式高能X射线发生装置交付使用时,恰逢2011年3月的东日本大地震,但由于其具有便携性和小型的特点,因此受损很小,交付使用后便进入了实证阶段。当时,一家在地震中受到影响的东北地区化学公司希望能够对化学精制塔的内部结构进行检查,以确认是否存在异常。虽然利用以往电子束加速电压最大300 kV的X射线管进行了长时间曝光尝试,但依然未能拍摄到精制塔内部结构。而此次开发的950keV装置被带到了化学工厂后,成功进行了日本国内首次在室外利用950keV X射线进行的无损检测。

虽然经历了接近6级的地震,设备的地面部分也经历了海啸的冲击,但通过X射线拍摄的照片帮助企业确认了精制塔内部的机构完整性。获得这一检测结果后,位于受灾地区的化学精制塔得以重新运转,较早地实现了被称为“工业界之食粮”的塑料原料的生产和供给。

◆ 在测试现场的应用

之后,在2012-2014年度,在国立研究开发法人科学技术振兴机构(JST)的复兴促进计划的推动下,4家民间企业与东京大学联手推进产学官共同研发体制,进行了电子束加速管本体的高性能化、产业基础设施设备诊断装置安装的箱体模块化,以及控制方式的改良,实现了可以在制造现场安装的装置,取得了化学设备诊断、混凝土桥梁钢筋诊断等实际成果。

从2014年度中开始,在日本内阁府主导的“战略性创新创造计划(SIP)”中,作为负责社会基础设施诊断技术开发的国立研究开发法人土木研究所(PWRI)和东京大学的X射线摄像诊断系统,被应用于各类桥梁检测,并且在东大核能专业被用于开发PC混凝土梁结构钢筋解析的三维摄像技术。作为老化桥梁的诊断技术,在对目测和敲击检查中发现的异常部位进行的X射线拍照中,尤其是在确认混凝土PC套筒内灌浆填充状况方面发挥了威力,使得工作人员能够从根本上考虑结构强度和老化部位的修补方案。

今后,我们将以SIP计划中要求的“所开发技术的民间转移和社会实际应用”为目标,对装置的高性能化和X射线装置操作的通用化,以及在现场使用时的放射线安全管理等方面加以改良,为实现在社会基础设施和产业基础设施的诊断通用性而努力。

文/草野 让一(株式会社Accuthera 技术开发部)

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照片2 2016年10月,SIP计划对新泻县18号国道妙高大桥进行检测。从桥面上方向桥墩方向进行透视检测

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照片3 从去除了路缘石的车道和人行道交界面的路面上垂直照射

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