高温超音波センサの開発
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カテゴリ: 第9回
1. 緒言
発電プラントの信頼性や健全性を維持向上のため、プ ラントの状態を監視する技術の確立が求められている。 このプラントの状態監視技術の実現のためには、発電プ ラント稼働中の高温環境で動作可能なセンサが必要であ る。原子力発電プラントでは、その稼動中の温度条件は 約300°Cとなり、これに耐えて安定動作するセンサが必要 である。そのため、報告者らは、稼働中の発電プラントに適用 可能なセンサの開発を目指して、高温超音波センサを対 象として、圧電材料の耐熱性や高温環境での安定性の確 認など、基礎的な技術検討を行ってきた[1, 2]。 その結果、 これらの基礎的な技術検討結果に基づき、高温超音波セ ンサ(シングルセンサ、アレイセンサ)を開発した。本報告では、基礎検討結果と高温超音波センサの開発 状況について報告する。
2. 高温超音波センサの基礎検討
2.1 センサ構成要素の検討 * ニオブ酸リチウム(以下、LINGO)は、光モジュレータや SAW デバイス用の材料として一般的によく知られた圧 電材料であり、そのキュリー点(1142~1210°C/3-8)の高さ もよく知られている。しかしながら、過去の報告による と、600°C以上で結晶中の酸素を失う点[9]や、650°C以上 で抵抗値が増大する点[10]などが指摘されており、高温超 音波センサ用の圧電材料としての適用性に課題があった。 そこで、報告者らは、まずLiNbO,の高温超音波センサヘ の圧電材料としての適用性を確認するため、高温超音波 センサ要素を作製し、耐熱性と化学的な安定性の確認試 験を行った。Tabale 1 に高温超音波センサ要素の構成とその耐熱温 度(及び要因)を示す。高温超音波センサの圧電材料である LINGO,の耐熱温度は、キュリー点である 1210°Cと予想さ れる。本研究では、高温での機械的安定性を考慮し、そ の熱膨張率を合わせることで熱応力を低減するため、 LINGO,単結晶と熱認張係数の近い基材であるステンレス 鋼を用いた。また、その他の構成要素も電極接合用の銀 ペースト(融点 962°C)を除いて、1000°C以上で使用可能な 構成材料を選定して用いた。237Table 1. Allowable temp. limit of transducer componentComponentLiNbOz single crystalgold sputter layerhigh temp. adhesivesilver pastestainless steelMI CableComponentAllowable temp. limitLiNbOz single crystalgold sputter layerhigh temp. adhesive1210°C (Curie temp.) 1064°C (melting temp.) 1650°C (maximum temp.) 962C (melting temp.) 1370~1400°C (melting temp.) 1150°C (limit temp. for long term use)silver pastestainless steelM Cable2.2 耐熱試験及び方法耐熱試験の構成を Fig.1 に示ように、2.1 節で示した構 成材料による高温超音波センサ要素を管状電気炉に設け た石英管内に設置した。このセンサ要素と超音波送受信 用のパルサ/レシーバは、MI(mineral insulated)ケーブルで 接続し、ディジタルオシロスコープで超音波の波形及び 強度を計測した。この状態で電気炉の昇温速度を 1.0°C Aimin に調整し、基材底面からの超音波の反射波形及び強 度を計測した。また、センサ要素の温度は、基材である ステンレス鋼の底部に接触させた熱電対で直接計測した。 なお、センサ要素を設置した石英管は、保温のため端部 をアルミホイルで覆ったものの、基本的には大気開放と 同じ雰囲気条件である。high temp. transducerント10.0mmWwatmgold sputter electrode-LiNbO, single crystal -high temp, adhesiveUN10は時が125.4mmsubstrate aSubstratedInch]「25.4mmquartz tube詳しい お外にいたイラストイン・イートイリジスト:0thermocoupleMI cableelectric furnacedigital oscilloscopepulser/receiverFig.1 Schematic configuration and photograph of a hightemperature transducer.2.3 耐熱試験結果耐熱試験により得られた超音波の反射波形の例を Fig.2 に示す。本研究では、厚さの異なる2種類の LINGO,単結 晶(a)4MHz(厚さ: 1.0mm)と(b)8MHz以厚さ: 0.5mm)を用い たが、それぞれにおいて室温(22°C)から 1000°Cまで温度 条件において BI?BS で示される底面反射エコーを計測 できている。なお、ここでは電気ノイズ低減のため、平 均化処理を行った。(a) 4MHz14122°C 1B, B, B(b) 8MHz 0.5h22°C 0.0 BB B B, B -0.5250°C250°C500°C500°CAmplitude [V]Amplitude M750°C75001000°C1000°Co++→0.0M 1 -0.5 50 00104010405020 30 Time [us]20 30 Time [us]Fig.2 Waveforms of multiple echoes from substrate by(a) 4MHz and (b) 8MHz transducer.このようにして得られた超音波の反射強度の温度依存 性をFig.3 に示す。ここでは、第1底面反射波(B1)の強度 を温度に対して示した。この結果が示すように、600~ 700°Cの間で受信強度の変化は見られるものの、約 1000°C まで安定して超音波計測可能なことを確認できた。また、 複数回の試験によりその再現性も確認できたといえる。CONGUE LOROSSCHINeto MODE Codeetan %Amplitude of B1 echo [dB]4MHz-Exp.1 8MHz no-Exp.1- Exp.2-80- 0 200400 600 800 1000 1200Temperature [°C] Fig.3 Comparison of the amplitude of B1 echofrom substrate.238!* 本研究では昇温速度を 1.0°C/min としたため、600°Cか ら1000°Cまで昇温するために要する時間は、400min とな る。過去の報告では、LiNbO3は 600°C以上で結晶中の酸 素を失う点や、650°C以上で抵抗値が増大する点が課題と なっていたが、本研究の結果により、数時間であれば超 音波の計測に大きな影響が無いことが示された。この点 をさらに確認するため、超音波計測と同じ条件で熱天秤 による質量変化を分析した。その結果をFig4 に示す。こ の図が示すように、LINGO,単結晶の質量変化は、その融 点(1260°C)までほとんど計測されず、水蒸気や酸素などが 存在する大気中でも化学的に安定していることが確認で きたといえる。100FThermogravimetry, TG [ug/min]12501300-2020 200 400 600 800 1000 1200 1400Temperature [°C] Fig.4 Result of thermogravimetry measurementof LiNbO3 single crystal.3. 高温超音波センサ- 前述した基礎検討に基づき、原子力発電プラントへの 適用(環境温度: 300°C)を想定した高温超音波センサを開 発した。その外観を Fig.5 に示す。Fig.5 (a)は、単一の圧 電素子によるシングルセンサであり、構造材の肉厚など の計測が可能である。また、Fig.5 (b)は、複数の圧電素子 によるアレイセンサであり、フェーズドアレイ装置と組 み合わせて使用することで、構造材内部のき裂などを高 温環境で画像化して計測することができる。これらを用いた計測例として、アレイセンサによる計 測の例を Fig.6 に示すが、室温のみならず 330°Cの高温環 境でも、サイドドリルホール(SDHDを鮮明に計測できてい る。このように高温環境で使用可能な超音波センサを適 用することで、更なる発電プラントの信頼性の維持や保 全技術の高度化に貢献するものと考える。ここでF'922012 9001 2 3 4 56789(a) single type (b) array type Fig.5 Photo of high temperature ultrasonic transducers,(a) single transducer and (b) array transducer.high temp. array transducerspecimen(SUS316) 182.0mm) (a) room temp.SDH echobottom echo(b) 330 °C.SDH echo容器bottom echo2018Fig.6 Example of phased array measurement usinghigh temperature array transducer.4.結言1稼働中の発電プラントに適用可能な高温超音波センサ の開発を目指して、高キュリー点圧電材料であるニオブ 酸リチウムについて検討した。その結果、約 1000°Cまで の耐熱性と、1260°Cまでの安定性を確認した。これによ り高温超音波センサへの適用性を確認できた。さらにこ の結果に基づき、シングルセンサとアレイセンサを開発 した。今後、更なる保全技術の高度化のため、高温超音 波センサの適用を目指す。239「謝辞基礎的な検討にご協力頂いたペンシルベニア州立大学 B. R. Titumann 教授、C. T. Searfass 氏に感謝いたします。参考文献 [1] A. Baba, C. T. Searfass and B. R. Tittmann, ““Hightemperature ultrasonic transducer up to 1000 °C using lithium niobate single crystal““, J. Appl. Phys. Lett., Vol. 97,2010,232901. [2] A. Baba, C. T. Searfass and B. R. Tittmann, “Developmentof high temperature ultrasonic transducer for structural health monitoringu”, AIP Conf Proc. Vol. 1335, 2011, pp.793-799. [3] S. C. Abrahams, H. J. Levinstein and J. M. Reddy,“Ferroelectric lithium niobate. 5. Polycrystal X-ray diffraction study between 24° and 1200°C”, J. Phys. Chem.Solids, Vol. 27, 1966, 1019-1026. [4] A. W. Warner, M. Onoe and G A. Coquin, “Determinationof Elastic and Piezoelectric Constants for Crystals in Class(3m)”, J. of Acoust. Soc. of Am., Vol. 42, 1976, pp.1224-1231.[5] T. Yamada, N. Niizeki and H. Toyoda, “Piezoelectric andElastic Properties of Lithium Niobate Single Crystals”, Jap.J. of Appl. Phys, Vol. 6, 1967, pp. 151-155. [6] Crystal Technology, Inc., Palo Alto, CA, Product Catalogfor Lithium Niobate / Lithium Tantalate acoustic crystals. [7] Boston Piezo-Optics, Inc., Bellingham, MA, ProductCatalog for Lithiuin Niobate. [8] MTI Corporation, Richinond, CA, Product Catalog forLiNbO3 single crystal. [9] Innovation in Europe: Research and Results.““Non-destructive testing at 800°C““. [10] R. C. Turner, P. A. Fuierer, R. E. Newnham and T. R.Shrout, “Materials for High Temperature Acoustic and Vibration Sensors: A Review”, Appl. Acoust., Vol. 41, 1994, pp. 299-324.(平成24年6月 15 日)240“ “高温超音波センサの開発“ “馬場 淳史,Atsushi BABA,武捨 義則,Yoshinori MUSHA,小池 正浩,Masahiro KOIKE,大谷 健一,Kenichi OTANI,平塚 真弘,Masahiro HIRATSUKA
発電プラントの信頼性や健全性を維持向上のため、プ ラントの状態を監視する技術の確立が求められている。 このプラントの状態監視技術の実現のためには、発電プ ラント稼働中の高温環境で動作可能なセンサが必要であ る。原子力発電プラントでは、その稼動中の温度条件は 約300°Cとなり、これに耐えて安定動作するセンサが必要 である。そのため、報告者らは、稼働中の発電プラントに適用 可能なセンサの開発を目指して、高温超音波センサを対 象として、圧電材料の耐熱性や高温環境での安定性の確 認など、基礎的な技術検討を行ってきた[1, 2]。 その結果、 これらの基礎的な技術検討結果に基づき、高温超音波セ ンサ(シングルセンサ、アレイセンサ)を開発した。本報告では、基礎検討結果と高温超音波センサの開発 状況について報告する。
2. 高温超音波センサの基礎検討
2.1 センサ構成要素の検討 * ニオブ酸リチウム(以下、LINGO)は、光モジュレータや SAW デバイス用の材料として一般的によく知られた圧 電材料であり、そのキュリー点(1142~1210°C/3-8)の高さ もよく知られている。しかしながら、過去の報告による と、600°C以上で結晶中の酸素を失う点[9]や、650°C以上 で抵抗値が増大する点[10]などが指摘されており、高温超 音波センサ用の圧電材料としての適用性に課題があった。 そこで、報告者らは、まずLiNbO,の高温超音波センサヘ の圧電材料としての適用性を確認するため、高温超音波 センサ要素を作製し、耐熱性と化学的な安定性の確認試 験を行った。Tabale 1 に高温超音波センサ要素の構成とその耐熱温 度(及び要因)を示す。高温超音波センサの圧電材料である LINGO,の耐熱温度は、キュリー点である 1210°Cと予想さ れる。本研究では、高温での機械的安定性を考慮し、そ の熱膨張率を合わせることで熱応力を低減するため、 LINGO,単結晶と熱認張係数の近い基材であるステンレス 鋼を用いた。また、その他の構成要素も電極接合用の銀 ペースト(融点 962°C)を除いて、1000°C以上で使用可能な 構成材料を選定して用いた。237Table 1. Allowable temp. limit of transducer componentComponentLiNbOz single crystalgold sputter layerhigh temp. adhesivesilver pastestainless steelMI CableComponentAllowable temp. limitLiNbOz single crystalgold sputter layerhigh temp. adhesive1210°C (Curie temp.) 1064°C (melting temp.) 1650°C (maximum temp.) 962C (melting temp.) 1370~1400°C (melting temp.) 1150°C (limit temp. for long term use)silver pastestainless steelM Cable2.2 耐熱試験及び方法耐熱試験の構成を Fig.1 に示ように、2.1 節で示した構 成材料による高温超音波センサ要素を管状電気炉に設け た石英管内に設置した。このセンサ要素と超音波送受信 用のパルサ/レシーバは、MI(mineral insulated)ケーブルで 接続し、ディジタルオシロスコープで超音波の波形及び 強度を計測した。この状態で電気炉の昇温速度を 1.0°C Aimin に調整し、基材底面からの超音波の反射波形及び強 度を計測した。また、センサ要素の温度は、基材である ステンレス鋼の底部に接触させた熱電対で直接計測した。 なお、センサ要素を設置した石英管は、保温のため端部 をアルミホイルで覆ったものの、基本的には大気開放と 同じ雰囲気条件である。high temp. transducerント10.0mmWwatmgold sputter electrode-LiNbO, single crystal -high temp, adhesiveUN10は時が125.4mmsubstrate aSubstratedInch]「25.4mmquartz tube詳しい お外にいたイラストイン・イートイリジスト:0thermocoupleMI cableelectric furnacedigital oscilloscopepulser/receiverFig.1 Schematic configuration and photograph of a hightemperature transducer.2.3 耐熱試験結果耐熱試験により得られた超音波の反射波形の例を Fig.2 に示す。本研究では、厚さの異なる2種類の LINGO,単結 晶(a)4MHz(厚さ: 1.0mm)と(b)8MHz以厚さ: 0.5mm)を用い たが、それぞれにおいて室温(22°C)から 1000°Cまで温度 条件において BI?BS で示される底面反射エコーを計測 できている。なお、ここでは電気ノイズ低減のため、平 均化処理を行った。(a) 4MHz14122°C 1B, B, B(b) 8MHz 0.5h22°C 0.0 BB B B, B -0.5250°C250°C500°C500°CAmplitude [V]Amplitude M750°C75001000°C1000°Co++→0.0M 1 -0.5 50 00104010405020 30 Time [us]20 30 Time [us]Fig.2 Waveforms of multiple echoes from substrate by(a) 4MHz and (b) 8MHz transducer.このようにして得られた超音波の反射強度の温度依存 性をFig.3 に示す。ここでは、第1底面反射波(B1)の強度 を温度に対して示した。この結果が示すように、600~ 700°Cの間で受信強度の変化は見られるものの、約 1000°C まで安定して超音波計測可能なことを確認できた。また、 複数回の試験によりその再現性も確認できたといえる。CONGUE LOROSSCHINeto MODE Codeetan %Amplitude of B1 echo [dB]4MHz-Exp.1 8MHz no-Exp.1- Exp.2-80- 0 200400 600 800 1000 1200Temperature [°C] Fig.3 Comparison of the amplitude of B1 echofrom substrate.238!* 本研究では昇温速度を 1.0°C/min としたため、600°Cか ら1000°Cまで昇温するために要する時間は、400min とな る。過去の報告では、LiNbO3は 600°C以上で結晶中の酸 素を失う点や、650°C以上で抵抗値が増大する点が課題と なっていたが、本研究の結果により、数時間であれば超 音波の計測に大きな影響が無いことが示された。この点 をさらに確認するため、超音波計測と同じ条件で熱天秤 による質量変化を分析した。その結果をFig4 に示す。こ の図が示すように、LINGO,単結晶の質量変化は、その融 点(1260°C)までほとんど計測されず、水蒸気や酸素などが 存在する大気中でも化学的に安定していることが確認で きたといえる。100FThermogravimetry, TG [ug/min]12501300-2020 200 400 600 800 1000 1200 1400Temperature [°C] Fig.4 Result of thermogravimetry measurementof LiNbO3 single crystal.3. 高温超音波センサ- 前述した基礎検討に基づき、原子力発電プラントへの 適用(環境温度: 300°C)を想定した高温超音波センサを開 発した。その外観を Fig.5 に示す。Fig.5 (a)は、単一の圧 電素子によるシングルセンサであり、構造材の肉厚など の計測が可能である。また、Fig.5 (b)は、複数の圧電素子 によるアレイセンサであり、フェーズドアレイ装置と組 み合わせて使用することで、構造材内部のき裂などを高 温環境で画像化して計測することができる。これらを用いた計測例として、アレイセンサによる計 測の例を Fig.6 に示すが、室温のみならず 330°Cの高温環 境でも、サイドドリルホール(SDHDを鮮明に計測できてい る。このように高温環境で使用可能な超音波センサを適 用することで、更なる発電プラントの信頼性の維持や保 全技術の高度化に貢献するものと考える。ここでF'922012 9001 2 3 4 56789(a) single type (b) array type Fig.5 Photo of high temperature ultrasonic transducers,(a) single transducer and (b) array transducer.high temp. array transducerspecimen(SUS316) 182.0mm) (a) room temp.SDH echobottom echo(b) 330 °C.SDH echo容器bottom echo2018Fig.6 Example of phased array measurement usinghigh temperature array transducer.4.結言1稼働中の発電プラントに適用可能な高温超音波センサ の開発を目指して、高キュリー点圧電材料であるニオブ 酸リチウムについて検討した。その結果、約 1000°Cまで の耐熱性と、1260°Cまでの安定性を確認した。これによ り高温超音波センサへの適用性を確認できた。さらにこ の結果に基づき、シングルセンサとアレイセンサを開発 した。今後、更なる保全技術の高度化のため、高温超音 波センサの適用を目指す。239「謝辞基礎的な検討にご協力頂いたペンシルベニア州立大学 B. R. Titumann 教授、C. T. Searfass 氏に感謝いたします。参考文献 [1] A. Baba, C. T. Searfass and B. R. Tittmann, ““Hightemperature ultrasonic transducer up to 1000 °C using lithium niobate single crystal““, J. Appl. Phys. Lett., Vol. 97,2010,232901. [2] A. Baba, C. T. Searfass and B. R. Tittmann, “Developmentof high temperature ultrasonic transducer for structural health monitoringu”, AIP Conf Proc. Vol. 1335, 2011, pp.793-799. [3] S. C. Abrahams, H. J. Levinstein and J. M. Reddy,“Ferroelectric lithium niobate. 5. Polycrystal X-ray diffraction study between 24° and 1200°C”, J. Phys. Chem.Solids, Vol. 27, 1966, 1019-1026. [4] A. W. Warner, M. Onoe and G A. Coquin, “Determinationof Elastic and Piezoelectric Constants for Crystals in Class(3m)”, J. of Acoust. Soc. of Am., Vol. 42, 1976, pp.1224-1231.[5] T. Yamada, N. Niizeki and H. Toyoda, “Piezoelectric andElastic Properties of Lithium Niobate Single Crystals”, Jap.J. of Appl. Phys, Vol. 6, 1967, pp. 151-155. [6] Crystal Technology, Inc., Palo Alto, CA, Product Catalogfor Lithium Niobate / Lithium Tantalate acoustic crystals. [7] Boston Piezo-Optics, Inc., Bellingham, MA, ProductCatalog for Lithiuin Niobate. [8] MTI Corporation, Richinond, CA, Product Catalog forLiNbO3 single crystal. [9] Innovation in Europe: Research and Results.““Non-destructive testing at 800°C““. [10] R. C. Turner, P. A. Fuierer, R. E. Newnham and T. R.Shrout, “Materials for High Temperature Acoustic and Vibration Sensors: A Review”, Appl. Acoust., Vol. 41, 1994, pp. 299-324.(平成24年6月 15 日)240“ “高温超音波センサの開発“ “馬場 淳史,Atsushi BABA,武捨 義則,Yoshinori MUSHA,小池 正浩,Masahiro KOIKE,大谷 健一,Kenichi OTANI,平塚 真弘,Masahiro HIRATSUKA