作成： 1998/09/10 白川 芳幸
データ番号 ：040152
塗膜、被膜等厚さ計測に役立つベータ線源
目的 ：塗膜、被膜等厚さ計測
放射線の種別 ：ベータ線
放射線源 ：147Pm(3.7MBq-29.6GBq), 204Tl(1.85-11.1MBq), 90Sr(0.185-0.371MBq)
利用施設名 ：住友金属工業鹿島製鉄所、Institute of Physics and Nuclear Engineering (Romania)、Twin City社(USA)等
照射条件 ：大気中
応用分野 ：塗膜、被膜等の厚さ計測
概要 ：
製品の品質向上・機能性の拡大などの観点から、メッキ技術を中心とする表面処理技術はいろいろの産業で利用され、その種類も多岐にわたっている。それゆえ表面処理後の塗膜、被膜等の膜厚測定は重要である。ベータ線の後方散乱を利用した膜厚測定には、147Pm(プロメシウム), 204Tl(タリウム), 90Sr(ストロンチウム)などのベータ線源がよく用いられている。
詳細説明 ：
ベータ線を用いた塗膜、被膜などの厚さ計測は、ベータ線と物質との相互作用である散乱、吸収、透過の中で散乱を利用している。散乱のうち、測定対象物に対して逆方法に戻る後方散乱ベータ線をGM管などで計数して、計数値を検量線の式に当てはめることにより膜厚を求めることができる。
図1 Principle of the beta backscattering method.（原論文1より引用。 Reproduced from Metal Finishing, Vol.81, No.3, 21-23 (March 1983), R.Kurz, R.D.Moeller: Continuous Coating Thickness Measurement by the Beta Backscatter Method, Figure 1 (Data source 1, pp.22), Copyright (1983), with permission from Elsevier Science, Oxford, England.）
後方散乱されるベータ線の計数は、線源から放出されるβ線のエネルギー、強度、そして母材、塗膜・被膜の成分、厚さ等によって変化する。また測定のために与えられた時間によっても変化する。したがって、上記の条件を考慮して線源の種類、強度などが決定される。
ここで、金属母材に金属をメッキする場合、金属母材に有機膜を被覆する場合について線源の種類と強度を考える。前者の例として、電子部品メーカなどで貴金属の有効利用の観点から、重要性の高い金のメッキ厚さの測定を示す。ニッケル母材に金メッキをする場合には、厚さが0.5-2.0μmの範囲では、エネルギー0.23MeVの147Pmを3.70-29.6MBq用いる。厚さが2.5-10μmの範囲では、エネルギー0.76MeVの204Tlを1.85-11.1MBq使用する。さらに厚さが増して5.5-35μmの範囲では、エネルギー2.28MeVの90Srを0.185-0.371MBq使う。計数時間は線源の強度によっても変わるが10-240s程度である。
ニッケル母材に金メッキする場合以外にも、母材とメッキ材の組み合わせは多数ある。その組み合わせと、測定厚さと、それに適する線源の関係を表1に表す。
表1 （原論文2より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. Meth. Phys.Res., vol.A312 (1992) 284-288, D.M. Farcasiu, T.Apostolescu, H.Badescu , V.Bohm , A.Jianu , C.Bordeanu, M.V.Cracium: A digital instrument for nondestructive measurements of coating thickness by beta backscattering measurements, Table 2 (Data source 2, pp.285), Copyright (1992), with permission from Elsevier Science, Oxford, England.）
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Source 147Pm 204Tl 90Sr
Energy[MeV] 0.22 0.76 2.27
Half-life[yr] 2.65 3.65 28
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Coating Base log.range dmax[μm] log.range dmax[μm ] log.range dmax[μm ]
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Anodized Al 7.4-40 100 45-280 600 - -
coating
Ag.Rh Au 1.2-4.0 15 6.0-25 60 15-75 190
Ni 1.0-4.5 5.5-22 15-70
Fe 1.0-4.2 5.5-22 15-70
Al 1.0-4.2 5.0-20 10-60
Al Cu 4.5-20 89 25-100 360 90-400 1270
Au Ag 0.6-2.3 7 2.5-12 29 5.0-35 100
Mo 0.6-2.3 2.5-12 5.0-35
Ni 0.5-2.0 2.5-10 5.5-35
Al 0.5-1.8 2.5-10 5.0-25
Cd Ni 1.5-5.0 18 7.0-30 80 15-70 270
Fe 1.5-5.0 7.0-30 15-70
Cr Ni 2.5-8.0 30 8.0-30 115 20-120 410
Al 2.0-8.0 8.0-30 20-120
Ni,Cu Ag 1.5-50 21 9.0-30 85 20-100 300
Mo 1.5-5.0 9.0-30 20-100
Al 1.7-5.5 8.0-30 20-100
Sn Au 1.8-5.5 22 7.5-35 90 15-100 310
Ni 1.8-5.3 7.5-35 15-100
Al 1.5-5.0 7.0-30 10-70
Pb 1.8-5.5 7.5-35 15-100
Zn Fe 2.0-6.5 26 4.0-30 110 - 370
Al 1.5-6.0 4.0-30 11-120
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実際の測定現場では、製造コスト・人件費の削減、時間の節約から膜厚の自動測定が望まれ、研究開発されてきた。このシステムは、(1)運ばれている製品にプローブ(検出器)が接触する。(2)一定時間製品とプローブは一緒に移動し、測定をおこなう。(3)測定後、プローブが離れ元の位置にもどる。(4)再び、別の位置に接触し測定を続ける。という手順で動作する。
図2 自動膜厚測定システム（原論文3より引用）
つぎに、金属母材に有機膜を被覆する場合について検討する。鉄鋼業の連続塗装ラインにおいては、ニッケル亜鉛メッキを施した上に1μm程度の有機膜を被覆した自動車用表面処理鋼鈑を製造している。塗装の膜厚制御のためには、非接触オンライン測定が必要である。この測定では、ベータ線源と測定対象物(ライン方向に動いている表面処理鋼鈑)が接触しないように15mmの距離をおく。応答時間は480ms以内とする。測定範囲は0-30μmである。この仕様を満足する膜厚計の線源には147Pmが18.5GBq用いられた。この膜厚計のヘッド部には、レーザー変位計と温度計が設けられ、測定対象までの距離変動と温度変化を補正している。
以上のように、金属母材に金属をメッキする場合、金属母材に有機膜を被覆する場合とも、膜厚測定には、測定対象物の種類、厚さ、及び計数時間に応じた線源が選択できるものとして、147Pm, 204Tl, 90Srが適している.
コメント ：
塗膜、被膜などの厚さ計測には赤外線、超音波、渦電流法、ベータ線法が利用されている。金属母材に有機膜を被覆する場合には、使用条件、計測条件を総合的に考慮して最適な方法が選択されている。しかしながら金属母材に金属をメッキする場合には、光学的方法、電気的方法は原理的に適用できず、鋼板上の錫、亜鉛メッキのような蛍光X線計測が利用される場合を除いて、とくに母材とメッキとの原子番号が大きく異なる場合には、ベータ線法の独壇場になる。
今後の傾向は線源の微弱化、測定の自動化であると考えられる.
原論文１ Data source 1：
Continuous Coating Thickness Measurement by the Beta Backscatter Method
R.Kurz, R.D.Moeller
Siemens A.G. , Augsbury, W. Germany. Fisher Technology, Windsor, CT.
Metal Finishing, Vol.81, No.3, p.21-23 (March 1983)
原論文２ Data source 2：
A digital instrument for nondestructive measurements of coating thickness by beta backscattering
D.M.Farcasiu , T.Apostolescu , H.Badescu , V.Bohm , A.Jianu , C.Bordeanu and M.V.Cracium
Institute of Physics and Nuclear Engineering , PO Box MG-6, Bucharest, Romania
Nuclear Instruments and methods in Physics Research, A312 (1992) 284-288
原論文３ Data source 3：
ベータスコープ−ベータ線による非破壊膜厚測定器の現状-
山中理代
日本エレクトロプレイティングエンジニヤース(株)、神奈川県平塚市新町5-50
実務表面技術, Vol.30, No.1, p.10-14 (1983)
原論文４ Data source 4：
ベータ線後方散乱を用いた膜厚測定
本田達郎,酒井俊彦,山本章生,平山憲雄,吉田松夫
住友金属工業(株)
CAMP-ISIJ, Vol.1, No.2 (1988) 584
キーワード：ベータ線、後方散乱、膜厚、プロメシウム147、タリウム204、ストロンチウム90
beta-ray, backscattering, coating thickness, 147Pm, 204Tl, 90Sr
分類コード：040202, 010302