复合构造物的非破坏检查装置和非破坏检查方法

专利名称：复合构造物的非破坏检查装置和非破坏检查方法
技术领域：
本发明涉及能对构造物不带来任何不良影响的情况下检查例如钢筋混凝土建筑 物那样的复合构造物的内部状态的非破坏检查装置和非破坏检查方法。
背景技术：
例如，作为以建筑物、高架桥或水坝等钢筋混凝土等复合构造物内的内部状态 (钢筋的不织状态等)或者高炉内的铁成分或温度分布等表层内部的状态为检查对象的， 在不带来物理的或化学的不良影响的情况下检查或检测的非破坏检查方法，超声波法、红 外线温度记录法、雷达法和X射线法等一直广泛地为人类所知。可是，这些方法都显著地限 定检查对象，并且在内部状态的析像度和能检测的表层内部的深度上存在界限。因此，本申请的发明者们提出了一种非破坏检查方法和装置，该非破坏检查方法 和装置使用粒子加速器，人为地产生μ介子，由该粒子加速器产生的μ介子一方面以给定 的立体角被捕获并进行磁场封闭，同时被输送到钢筋混凝土等检查对象并照射，通过检测 随着照射的正μ介子在钢筋部的能量损失释放的阳电子的量，检测钢筋混凝土内部状态 (例如，参照专利文献1)。专利文献1 特开2008-14816号公报

发明内容
可是，专利文献1中记载的发明使用大型、高价的粒子加速器产生μ介子，并且以 给定的立体角捕获这种人为产生的正μ介子，进行磁场封闭，同时输送到钢筋混凝土等检 查对象并照射，在现实的可行性方面存在很大的问题。此外，专利文献ι中没有表示其所记 载的阳电子检测部件(塑料闪烁器)的输出信号的数据处理的具体细节，在该现有技术中， 难以现实地处理伴随着μ介子的消减所产生的经分选的阳电子和电子量的检测信号，并 生成所希望得到的的放射线照相信息。在专利文献ι中记载的发明中，只把正μ介子作为 μ介子处理，无法得到来自负μ介子的元素分选的信号，因此，在现实中，难以取得复合构 造物内的钢筋的形状和尺寸等具体的用于放射线照相的详细精确的数据。本发明是鉴于所述课题而提出的，提供复合构造物的非破坏检查装置，该装置利 用在行进方向只以给定量自旋极化并大致在水平方向行进的宇宙射线μ介子，检查复合 构造物的表层内部，其特征在于，所述装置包括阳电子和电子量检测部件以及放射线照相 数据处理部件，其中，所述阳电子和电子量检测部件检测伴随着在所述复合构造物的内部 静止的所述宇宙射线μ介子的消减，在与所述宇宙射线μ介子的照射方向相反方向以特 性的时间常数反射放出的阳电子和电子量；所述放射线照相数据处理部件根据在所述阳电 子和电子量检测部件中检测的阳电子和电子量，把在所述复合构造物的所述表层内部存在 的与所述表层的第一物质不同的第二物质的状态通过放射线照相进行数据处理并输出。这里，所述宇宙射线μ介子包含正μ介子和负μ介子，所述正μ介子相对于行 进方向大概自旋极化30%。
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而且，所述阳电子和电子量检测部件检测伴随着所述宇宙射线μ介子的消减产 生的到达50MeV的衰变电子和阳电子的强度。因此，所述阳电子和电子量检测部件包括第 一检测板和第二检测板，所述第一检测板配置在所述宇宙射线μ介子的照射侧，用于检测 μ介子的位置和路线；所述第二检测板配置在所述第一检测板和所述复合构造物之间，检 测在所述复合构造物内伴随着所述μ介子的消减而产生的阳电子和电子量。而且，其特征在于所述第一检测板的位置分辨率为士2. 50cm，其有感面积是 ImX lm，所述第二检测板的位置分辨率为士 1. 25cm，其有感面积是0. 5mX0. 5m。此外，所述放射线照相数据处理部件包括鉴别部件和数据处理部件，其中，所述鉴 别部件把来自所述阳电子和电子量检测部件的输入信号以给定的基准同步脉冲采样，并从 该采样的输入信号除去噪声成分，只分选μ介子的检测信号；所述数据处理部件处理来自 所述鉴别部件的输出信号，并生成放射线照相信息。 其特征在于所述复合构造物是钢筋混凝土，所述第一物质是混凝土，所述第二物 质是钢筋或钢骨，在该钢筋混凝土中，所述钢筋或钢骨位于离所述混凝土的表层10 20cm 的位置。本发明还提供非破坏检查方法，该方法利用在行进方向只以给定量自旋极化并大 致在水平方向行进的宇宙射线μ介子，检查复合构造物的表层内部，所述方法包括(a)以 给定的基准同步脉冲对伴随着在所述复合构造物的内部静止的所述宇宙射线μ介子的消 减，在与所述宇宙射线μ介子的照射方向相反方向以特性的时间常数反射放出的阳电子 和电子量采样的步骤；(b)从该采样的信号除去噪声成分的步骤；(C)从除去所述噪声成分 的信号分选μ介子的检测信号的步骤；(d)处理所述经分选的μ介子的检测信号并生成 放射线照相信息的步骤；通过取得表示第二物质的状态的放射线照相信息，检查所述复合 构造物的内部，所述第二物质与存在于所述复合构造物的所述表层内部的所述表层的第一 物质不同。这里，所述宇宙射线μ介子包含正μ介子和负μ介子，宇宙射线μ介子相对其 行进方向大概自旋极化30%。据此，在本发明的非破坏检查装置及其方法中，由于使用宇宙射线μ介子，所以 在任意地点的检查对象物，检测都能进行。此外，由于不需要大型昂贵的粒子加速器和以给 定的立体角捕获由该粒子加速器产生的μ介子并进行磁场封闭，输送照射到检查对象物 的磁场封闭输送部件，所以本发明的非破坏检查装置及其方法可以低成本地进行复合构造 物的非破坏检查。在本发明中，由于阳电子和电子量检测部件能正确地检测伴随着μ介子(包含正 μ介子和负μ介子)的消减而产生的全部阳电子和电子量，所以本发明能够取得复合构造 物内的钢筋的形状和尺寸等具体的用于放射线照相显示的详细精确的数据。特别是能够在 短时间内极精确地测定存在于整体厚度在Im以上，包层厚度为10 20cm的钢筋混凝土建 筑物表层内部的钢筋的形状和尺寸等的腐蚀等的具体信息。


图1表示本发明的复合构造物的非破坏检查装置的整体结构的概要。图2表示在本发明中使用的μ SR法的原理图。这里，图2的左图表示由于介子衰变而产生自旋极化的μ介子的图样，图2的右图表示自旋极化的μ介子空间非对称地产 生阳电子的图样。图3表示μ SR测定装置的概念图(上图)，以及作为被观测的μ SR信号和微观磁 场所对应的代表例的外部磁场为零的情形(下图)。图4表示使宇宙射线μ介子在钢筋混凝土中停止，测定放出的阳电子的强度，并 通过μ SR法调查钢筋的存在状态。图5表示负μ介子被原子核吸收和自由衰变的概率随原子核的电荷Z变化的图
样。 图6表示宇宙射线μ介子产生的反射信号，与在混凝土中相比，在铁中停止的时 候，阳电子和电子的强度的总和减少17%。图7是表示天顶角70度的宇宙射线μ介子的强度的曲线图。图8说明构成本发明的阳电子和电子量检测装置。图9表示ROM电路(图1中的符号15)的框图(上图)和装置整体相片(下图)。图10表示宇宙射线μ介子透过碳(火山体、岩石等地壳等)的图样。图11表示宇宙射线μ介子透过型放射线照相测定装置和使用该装置观测火山体 山顶的透过像的图样及其测定结果。图12表示运转中的高炉的实验的测定状况、F/B比的原始数据、得到的密度分布。符号的说明11-复合构造物(钢筋混凝土)； 12-宇宙射线μ介子；13-阳电子和电子量检测 装置；14-鉴别器；15-处理来自鉴别器14的输出信号的ROM电路；16-数据处理装置(个 人电脑)。
具体实施例方式以下，说明本发明的利用宇宙射线μ介子的复合构造物的非破坏检查装置以及 检查方法的细节。图1表示本发明的复合构造部的非破坏检查装置的全体结构的概要。本发明的非 破坏检查装置的特征在于，利用在行进方向只以给定量自旋极化并大致在水平方向行进的 宇宙射线μ介子12。而且，本发明使用该宇宙射线μ介子检查复合构造物的表层内部。在图1中成为非破坏检查的对象的复合构造物11是由表层部的混凝土 11-1和内 部的钢筋(或钢骨)11-2构成的钢筋混凝土 11。如图11所示，本发明的非破坏检查装置包括阳电子和电子量检测部件13以及放 射线照相数据处理部件14、15、16，其中，所述阳电子和电子量检测部件13检测伴随着在 钢筋混凝土的内部的钢筋或者钢骨11-2中静止的宇宙射线μ介子的消减，在与宇宙射线 μ介子的照射方向相反方向反射放出的阳电子和电子量；所述放射线照相数据处理部件 14、15、16根据本阳电子和电子量检测部件13中检测的阳电子和电子量，把存在于复合构 造物即钢筋混凝土 11表层部的混凝土(第一物质)11-1的内部的钢筋或者钢骨(第二物 质)11-2的例如腐蚀状态等以放射线照相进行数据处理并输出。这里，在本发明的情况下，宇宙射线μ介子12包含正μ介子和负μ介子，所述 正μ介子相对于行进方向大概自旋极化30%。
而且，阳电子和电子量检测部件13(13-1和13-2)检测伴随着宇宙射线μ介子12 的消减而产生的达到50MeV的衰变电子和阳电子的强度。因此，阳电子和电子量检测部件 13包括第一检测板13-1和第二检测板13-2，所述第一检测板13-1配置在宇宙射线μ介 子12的照射侧，用于检测对测定对象即复合构造物11照射的μ介子的位置和路线；所述 第二检测板13-2配置在第一检测板13-1和复合构造物即钢筋混凝土 11之间，用于检测存 在于表层部的混凝土 11-1内部的钢筋或钢骨11-2中的伴随着宇宙射线μ介子12的消减 而产生的阳电子量和电子量(在本申请中，记载为“阳电子和电子量”)。这里，作为第一检测板13-1的一个例子，所述第一检测板13-1的位置分辨率为 士2. 50cm，有感面积是ImX lm。此外，第二检测板13_2的位置分辨率为士 1. 25cm，有感面 积是 0. 5m X0. 5mο 此外，所述放射线照相数据处理部件14、15、16由以下的部分构成把来自所述 阳电子和电子量检测部件13的输入信号以给定的基准同步脉冲采样，并从该采样的输入 信号除去噪声成分，只选择μ介子的检测信号的鉴别器14(14-1、14-2)；处理来自鉴别器 14(14-1,14-2)的输出信号的 ROM(读出模块)电路(Read-Out Module Circuit) 15 ；用以 太网等室内通信线路(LAN)与ROM电路15连接的数据处理部件(例如个人电脑)16。这里，在本发明中，在成为利用宇宙射线μ介子12的非破坏检查的对象的复合构 造物钢筋混凝土 11中，钢筋或钢骨11-2即使是在从混凝土 11-1的表层开始的10 20cm 的范围，也能充分测定。以下，详细说明构成所述的本发明的非破坏检查装置的所述各构成部分。Α. μ介子的说明首先，说明在本发明中使用的μ介子(以下，称作μ)的概要。μ介子是质量约为质子质量的1/9，约为电子质量的207倍的基本粒子，存在具有 正、负电荷的μ+、μ_两种。μ +和真空中的μ _以2. 2 μ S的寿命消亡，在其消亡时，产生具 有50兆电子伏特(MeV)能量的阳电子e+、电子e_和中微子。虽然μ介子作为宇宙射线飞 向地表，但是为了取得高强度的μ介子，还是需要使用基本粒子加速器得到高能量的质子 和电子并用以与原子核反应产生η介子(汤川介子、兀+、η _)，再通过它们的衰变产生大 量的μ+、μ_。在物质中，μ介子主要是进行电磁相互作用。利用这种基本粒子μ介子的 性质，μ介子能够应用于各种应用实用科学领域，但是本发明的特征是利用宇宙射线μ介 子，而不是利用由那种粒子加速器人为产生的μ介子。如果决定天顶角，那么无论何时何地，宇宙射线μ介子都几乎具有一定的能量矢 量。因此，通过测量透过具有未知“厚度”(密度X长度)的物体时μ介子的强度衰减，就 能知道“厚度”。在本发明中，使用2个以上的位置敏感型检测器(阳电子和电子量检测装 置13 第一检测板13-1和第二检测板13-2)，通过对穿过检查对象构造物的μ介子的路线 依次进行计算，能够取得物体内部的“厚度”的空间分布的映射。这时，由于μ介子的质量 比电子重200倍并且只进行电磁相互作用，具有很高的能量，例如μ介子能通厚达达数千 米的岩石和IOOm铁，所以能成为放射线照相的对象。由于这样的高能量的μ介子能够作 为环境放射线的宇宙射线取得，所以在本发明中利用它。B.反射型宇宙射线μ介子放射线照相的原理在透过型放射线照相中，有必要对着宇宙射线飞来的方向，在对象物的背后配置检测器。但是，在现有的大型建筑物或高架桥等设施中有时无法进行那样的布置。这时，只 允许取得反射型的信号探测其内部结构。因此，在本发明的非破坏检查中，利用由水平宇宙 射线μ介子产生的反射型信号。C.基于μ SR法的阳电子和电子量的检测μ SR法是指把μ介子具有的磁矩作为微观的磁针使用，测定物质中的磁场的方 法。宇宙射线μ介子的60%是正μ介子，在行进方向上自旋极化约30%。据此，根据μ SR 信号，可以进行对象物深处的组成分析。可是，在本发明中，由于不仅取得来自正μ介子的 元素分选信号，还取得来自负μ介子的元素分选信号，所以可以得到复合构造物内的钢筋 的形状和尺寸等具体用于放射线照相的详细精确的数据。通过在行进方向上自旋(极化)而得到的μ +消亡并产生阳电子，该阳电子具有 达到50MeV的能量，在相同的自旋方向被放出。然后，通过捕获该阳电子，能探测物质具有 的微观的磁性质。通过应用这样实现的称作μ SR法的方法，可以进行微弱的静态和动态磁 场的高灵敏度观测。图2表示所述的μ SR法的原理图。这里，图2左图表示由于介子衰变而产生自旋 极化的μ介子的图样，图2右图表示自旋极化的μ介子空间非对称地产生阳电子的图样。图3表示μ SR测定装置的概念图(上图)，以及作为被观测的μ SR信号和微观磁 场所对应的代表例的外部磁场为零的情形(下图)。通过使用μ SR法，能简单鲜明地把握 混凝土中的钢筋或铁棍的存在状态。图4表示使宇宙射线μ介子在钢筋混凝土中停止，测定放出的阳电子的强度，并 通过μ SR法调查钢筋的存在状态。在混凝土中停止的μ介子的自旋由于磁性杂质等因素 的影响会具有微弱的缓和现象，变为图3的右上图所示，但是μ介子在铁中停止的时候，由 于磁的内部场作用，会发生急速的50MHz左右的自旋旋转，如果测定系统的时间分辨率为 20纳秒以上，就无法观察到旋转，检测的阳电子强度变为1/3。因此，例如，如图4所示，由 于配置测定器，μ介子束在铁中停止时，阳电子强度会减少。因此，通过用射束的位置的函 数测定阳电子强度，就能在短时间内明确地测定钢筋混凝土中的钢筋的布置和粗细。D. μ介子核吸收电子信号在本发明中，不仅正μ介子，负μ介子的衰变也被作为测定的对象。把占宇宙射 线μ介子的40%的负μ介子作为测定的对象物，能够得到以下那样的物质特有的反射型 信号。在物质中停止的负μ介子减速之后，变成围绕物质的原子核旋转的小的原子，在原 子跃迁后，达到原子的基态。在基态，与原子核的电荷Z相对应，负μ介子与原子核的重叠 增多并且负μ介子被原子核吸收。结果，μ介子的自由衰变的概率与电荷Z—起变化。μ 介子的自由衰变的概率在混凝土中是50%，但是在铁中变为10%。因此，当μ介子在铁中 停止时，表现为反射型信号的高达50MeV的衰变电子和阳电子的强度发生衰减。图5表示负μ介子被原子核吸收和自由衰变的概率随原子核的电荷Z变化的样 子。Ε.宇宙射线μ介子的反射型信号的说明。如以上所述，通过把在水平方向行进的宇宙射线μ介子作为对象物，检测作为反 射型信号取得的高能量的阳电子和电子量，例如如图6所示，与在混凝土中停止的情况相 比，μ介子在铁中停止时，发生以下的变化。
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—般，静止的μ介子的衰变阳电子和电子的强度N6(T)表示如下。即Ne (T) = α Νμθ_τ/τ μ (1+ΑμΡμ cos ω Τ) Δ Ω这里，Νμ表示宇宙射线μ介子强度，α表示正负的μ介子强度比，τ μ表示μ 介子的寿命，Pu表示μ介子的极化度，Αμ表示衰变阳电子和电子的非对称度，ω表示原 子内部磁场引起的μ介子自旋回转角速度，Δ Ω表示检测器的立体角。然后，把所述的衰 变阳电子和电子的强度N6(T)对时间进行积分，得到关于混凝土和铁的，来自正负μ介子 的反射型信号的和。Ne/Δ Ω (混凝土)= 0. 6X2. 2Χ (1+0. 3X0. 3Χ1)+0. 4X0. 9X1 = 1. 44+0. 30 = 1. 74Ne/Δ Ω (铁)=0. 6X2. 2Χ (1+0. 3X0. 3X 1/3)+0. 4X0. 2X1 = 1. 36+0. 08 = 1. 44所述的计算处理通过图1所示的放射线照相数据处理部件14、15、16进行。图6表示宇宙射线μ介子产生的反射信号，与在混凝土中相比，在铁中停止的时 候，阳电子和电子的强度的总和减少17%。通过使用多个位置敏感检测器鉴别μ介子停止 的位置，钢筋混凝土的反射型放射线照相实现这17%的变化。这时，由于作为信号取得的 μ介子衰变电子和阳电子的能量是50MeV，所以可以把混凝土厚度为10 20cm的钢筋混 凝土以及包层厚度IOcm以上的钢筋混凝土作为对象。另外，虽然还能利用负μ介子厚子X射线信号和负μ介子核吸收中子等作为反 射型信号，但是由于效率低下和信号的路线难以确定，以及没有正μ介子的利用，所以在 实用化上伴随着困难。此外，在宇宙射线μ介子的反射型信号的检测中，需要检测一个一 个的μ介子和附带于其上的阳电子和电子，不可能用无法取得时间相关的干板法进行。因 此，本发明所涉及的方法变得极为有效。F.阳电子和电子量检测装置13的说明在本发明中使用的阳电子和电子量检测装置13中，所述第一检测板13-1是整体 尺寸为Im的正方形，每一台检测器系统全部容纳于厚度为50cm的长方体的箱中，将多个所 述第一检测板13-1进行组合，紧贴于大型建筑物等对象物并进行测定，可以在6个月时间 内以士 5mm的析像度，测定包层厚度为10 20cm的钢筋混凝土的钢筋的状态。在对象物的 实表面坐标之上，显示反射型信号的强度，对应强度低的部分为铁的部分，在该部分的构造 中，评价钢筋的健全性。附加IOns的精度的绝对时间和IOmm的精度的空间坐标，记录全部 数据。在测定的数据内，汇总推测为同类的空间的数据，通过加法乘法等时间空间再构成， 能监视长时间的测定的健全性。这里，就必要的测定时间加以描述。已知天顶角70度的宇宙射线μ介子的强度， 如图7所示，是0.001(STr)/(Cm)2/S。其中2%在IOcm厚的混凝土中停止。因此，由前方 宇宙射线μ介子计数器定义的入射μ介子的(在最大入射面积、包层厚度IOcm位置处的 扩展)所对应的μ介子强度变为如下10/日(lmXlm、5cmX5cm)、0. 1/日(IOcmX 10cm、 5mmX10mm)。由于μ介子衰变阳电子和电子的立体角变为0. 12、0. 0012，所以作为反射信号取 得的衰变阳电子和电子的检测量对应于包层厚度为IOcm的位置的空间分辨率，相应地变 为如下0· 12/ 日(5cmX5cm、5cmX5cm)、0· 1/ 日(IOcmX 10cm、5mmX IOmm)。与此相对应，由于μ介子衰变阳电子和电子的立体角变为0.12、0. 0012，反射信号的检测对应于空间分 辨率，相应地变为如下这样0. 12/日(5cmX5cm)、0. 00012/日(5mmX5mm)。如上所述，在 混凝土中停止时和在铁中停止时的两种情况，阳电子和电子量的强度存在17%的差。为了 用提出的宇宙射线μ介子反射型放射线照相的方法识别混凝土内的铁，以cm的分辨率，需 要3个月时间，用mm的分辨率，需要10年以上。从以上的考察，有可能误认为本发明的反射型宇宙射线μ介子放射线照相的方 法的实用化在测定时间上存在界限。也就是说，即便是扩大装置，由于对象区域也扩大，所 以为了取得相同的空间分辨率，就需要花费相同的时间测定。可是，后面描述的基于宇宙射 线μ介子放射线照相用高速电子电路ROM的时间空间再构成法就打破了这个界限。该时 间空间再构成法能够用位置敏感传感器的精度决定并记录宇宙射线μ介子的通过位置和 方向，能够以IOns的精度决定并记录现象的绝对时间。因此，在取得数据后，在适当的时间 区域和空间区域中整理，有效地提高数据的精度，可以在6个月的目标时间内达到mm台的 精度。G.检测器系统的说明图8说明构成本发明的阳电子和电子量检测装置13的原理。用于检测宇宙射线μ 介子的位置和路线的入射侧F计数器(第一检测板)的厚度为3cm，位置分辨率为士2. 5cm, 有有感面积为ImX lm，对象物一侧B计数器(第二检测板)的厚度为1. 5cm，位置分辨率为 士 1. 25cm，有感面积为0. 5mX0. 5m，把F和B的间隔取为0. 5m，就能利用从天顶角45度到 90度的接近水平的宇宙射线。对象物一侧B计数器兼任反射型电子和阳电子信号的检测， 为了有效利用ROM电路15，最好在对象物之前配置厚度0. 5cm、0. 5mX0. 5m触发计数器Τ。 据此，选择线性良好的μ介子，使计数器与对象物紧贴，并且把取得的数据进行内插等处 理，就能以IOmm以上的精度把布置于对象钢筋混凝土的包层厚度IOcm以上的钢筋成像。在图8中，决定宇宙射线的路线和位置的入射侧F计数器的厚度为3cm，位置分 辨率为士2. 5cm,有感面积为ImX Im,对象物一侧B计数器的厚度为1. 5cm,位置分辨率 为士 1. 25cm，有感面积为0. 5mX0. 5m, F和B的间隔为0. 5m。对象物一侧B计数器兼任 反射型电子和阳电子信号的检测，为了有效利用ROM电路，在对象物之前配置厚度0. 5cm、 0. 5mX0. 5m触发计数器Τ。使计数器与对象物紧贴，并且把取得的数据进行内插等处理，就 能以IOmm以上的精度把布置于对象钢筋混凝土的包层厚度IOcm以上的钢筋成像。H.时间空间再构成法和ROM电路的说明使用的为了 μ介子放射线照相实验而开发的万能电路数据读取模块(Read-Out Module, ROM)，如图11所示，能够对最大为40 X 40 (χ轴Xy轴)个交叉的闪烁器(光电倍 增管)输出进行处理，检测μ介子通过的点，使用2组这种40X40个的闪烁器决定μ介 子的飞行轨迹。图9表示读出板的框图(上图)和装置整体相片(下图)。χ、y轴的光电倍增管 输出连接在鉴别器上，以时刻基准同步脉冲(100MHz)对鉴别器的输出信号采样。接着，从 采样的光电倍增管输入决定通过点。通过点分别把在同一时刻x、y轴闪烁器输出中的一个 作为有效时并除去簇射成分，只分选宇宙射线μ介子。在判定为μ介子通过点的时候，检 测的结果通过以太网传送给PC，传送给PC的数据由以下的3个项目H构成。这里，时刻以 IOns的精度记录绝对时间，表示χ轴闪烁器编号和y轴闪烁器编号。
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在本发明的检测系统中，通过使用2个所述ROM板，由检测器取得的数据知道除去 软成分宇宙射线背景的宇宙射线μ介子的在前方、后方计数器的μ介子的通过位置和绝 对时间F(xl，yl，Τμ)、Β(Χ2，y2，τμ)，知道宇宙射线μ介子的位置、路线和在IOns精度 下飞来的时间。而且，用后方计数器F (x’，y’，Te)测定在通过对象物中停止的μ介子放出 的达到50MeV的阳电子和电子，用由(xl，yl, x2, y2，x’，y’)决定的对象物内部的位置函 数求出(Te-Ty)的分布。若时间分布与μ介子衰变时间常数一致，则确认是反射型信号。然后，利用该测定法的一般性，在时间空间上再构筑数据。例如，当数据的统计不 足，又想在短时间内知道钢筋状态的全貌的时候，可以通过(Xl，yl，X2，y2，X’，y’)的再构 筑把相似的区域相加累积，就能观察到精确度较高的外观。此外，对于周期地发生的现象， 可以在时间上进行汇总分析。如上所述，在本发明的复合构造物的非破坏检查方法中具有以下的特征，即(a)无论何时何地都能利用宇宙射线μ介子。(b)由于使用接近水平的宇宙射线，所以让对象物原封不动就可以立刻进行测定。(c)对检查对象来说完全是非破坏性的。即对检查对象的复合构造物不会带来任 何物理或化学的不良影响。(d)因为宇宙射线μ介子和衰变阳电子和电子的透过性，所以最起码也可以将包 层厚度为10 20cm的钢筋作为对象。(e)经过长时间测定的监视器能使用万能读出电路进行时间空间再构成。因此，本发明的非破坏检查装置和方法能进行大型建筑物的健全性的验证、高架 桥或水坝等健全性的验证。如上所述，本发明利用反射型放射线照相测定宇宙射线μ介子的消减时产生的 阳电子和电子量，实现了复合构造物的非破坏检查。而通过透过型放射线照相的利用，能进 行各种应用。以下，作为本发明的理解的一个帮助，描述具体实施例。H.透过型放射线照相的原理和效果(1)透过强度衰减法的原理X射线相片使用光(X射线)得到人体的透过像，为了得到透过像，以下的事项是必 要的a)光粒子具有足够的的能量是光粒子的飞行距离(停止之前在物质中通过的距离) 比对象物的厚度更长或与对象物的厚度相同。b)光粒子的检测容易，并且能够容易地鉴别 光粒子的路线。如图10所示，一般地，伴随着粒子的能量提高，粒子在各种物质中的飞行距 离增大。可是，电子因为“质量轻引起的向光的变换”，质子因为“核反应的增大”，所以无论 怎样提高能量都无法增大飞行距离。这时，μ介子就变得极为有效。图10表示宇宙射线μ介子透过碳(火山体、岩石等地壳)的图样。此外，图7表 示宇宙射线μ介子对碳(上)和铁(下)的透过强度的厚度依存性。在图7中，左边表示 透过强度的绝对值，右边表示与F/B比所对应的与厚度零的值的相对值，绝对值和相对值 都对应于各种天顶角表示。如图所示，物质密度不同，相同厚度的透过量也不同。(2)透过强度衰减法在火山和大型产业用机械中的应用为了实现使用几乎接近水平方向(天顶角60度 85度)的宇宙射线μ介子的 放射线照相显示，构筑图11所示的检测器系统。该系统使用细分割为格子状的塑料闪烁器 作为多个位置敏感型检测器。这里，为了利用透过性良好但强度低的水平方向的μ介子，设计出如下方案同时捕获来自相反方向的宇宙射线μ介子并进行标准化，再求出F(对象 物一侧)/Β(空侧)比。为了除去近数10倍于μ介子的多量的软成分(电子、Y射线等) 背景的噪声成分，使用在中间放置的铁引起的软成分产生的多发生信号。接近水平的宇宙射线μ介子的透过性良好，实验条件容易设定，可以测定原封不 动的对象物，而且没有必要在作为对象物的火山体和熔矿炉等之下挖隧道。此外，还可以进 行基于多个测定器的X射线断层摄影观测。图11表示宇宙射线μ介子透过型放射线照相测定装置和使用该装置观测火山体 浅间山的山顶的透过像的图样及其测定结果。该装置具有在横竖方向上以IOcm的宽度划 分，识别μ介子的通过点的IrnX Im的2面塑料计数器集合体。把前后的通过点逆转，即可 以知道通过对象物的位置。该装置使用在行进路线上放置的铁板，通过“多重发生事件的除 去”，除去软成分背景。(3)在火山体的内部探索中的应用在鬼压出熔岩流浅间园(位于浅间山山顶的北侧4公里的位置)放置测定器，尝 试从外部观察从外部看不到的喷火口。瞄准浅间山山顶的位置并取得图像，观察到了凹下， 如果将该凹下全部堵住，则所得到的图像的外形就与山顶的外形相同。如果取得约100天 的数据并与计算机仿真比较，就能够得到印证喷火口是“空的”，没有岩浆的上升这样的数据。此外，作为岩手山火山活动的机制，谈论沿着位于离岩手山山顶西侧向IOkm的黑 仓山和姥仓山之间的跨约4km的在东西延伸的山脊发生的“水蒸气爆发”的可能性。从2003 年到2004年，在发生火山活动的黑仓山和姥仓山山脊垂直向北侧2. 7km,比山脊低0. 8km的 位置设置了测定器。汇总测定结果，用根据透过山体的μ介子的强度得到的山体断面的密 度长显示，如果黑仓山和姥仓山的山脊密度均勻，我们就可以认为黑仓山和姥仓山的山脊 是密度为2. 5g/cm3(士 10%)的山体构造。在结果的时间系列的分析中，经过与发生的喷烟 柱的高度比较，指出原因可能为冬季期间的山体内水分的冻结。(4)在熔炉的内部探索中的应用使用与用于火山的系统相同的测定系统探索高炉炉底和炉壁，以高炉内部状态的 探索和健全性的确认为目的，在实际的炼铁厂进行了实验。图12表示运转中的高炉的实验的测定状况、F/B比的原始数据、得到的密度分布。 在左右中心位置处的F/B比从底向上变化，可知铁部分和砖部分的不同。图12的左图表示 宇宙射线μ介子放射线照相实验的测定系统配置状况，图12的中图表示得到的F/B比的 原始数据，图12的右图表示对于由用于预测高炉的上下、左右的角度(mrad)而定的高炉的 各点，通过三维的高度和颜色显示和解析宇宙射线μ介子强度的F/B比的大小而得到的密 度分布。关于以估计高炉的上下、左右的角度(mrad)决定的高炉的各点，以，表示由分析取 得的密度分布。据此，可知以下事项。(a)如果在分析中假定高炉的圆筒对象性，炉底部或炉壁部的砖厚度的测定的决 定精度就变为士5cm/45天。用2个月的测定，能以数月的精度进行寿命被称为20年的高 炉寿命的推测。(b)判明了铁密度的确定以在两个月的对50CmX50Cm的区域截面测定中偏差为 士 0. 2g/cm3 为标准。
(c)在某种程度上能进行炉内的铁的状态的时间和空间的变动的监视，观测由休 风的效果引起的铁部分的空间的变动。工业上的可利用性本发明涉及能利用宇宙射线μ介子，在对该构造物不产生任何不良影响的情况 下，检查例如钢筋混凝土建筑物那样的构造物的内部状态的非破坏检查装置以及检查方 法，具有应用于工业上的可行性。
权利要求
一种复合构造物的非破坏检查装置，利用在行进方向只以给定量自旋极化并通常在水平方向行进的宇宙射线μ介子，检查复合构造物的表层内部，其特征在于，该装置包括阳电子和电子量检测部件以及放射线照相数据处理部件，其中所述阳电子和电子量检测部件检测伴随着在所述复合构造物的内部静止的所述宇宙射线μ介子的消减，在与所述宇宙射线μ介子的照射方向相反方向以特性的时间常数反射放出的阳电子和电子量；所述放射线照相数据处理部件根据在所述阳电子和电子量检测部件中检测的阳电子和电子量，将在所述复合构造物的所述表层内部存在的与所述表层的第一物质不同的第二物质的状态通过放射线照相进行数据处理并输出。
2.根据权利要求ι所述的复合构造物的非破坏检查装置，其特征在于，所述宇宙射线 μ介子包含正μ介子和负μ介子，所述正μ介子相对于行进方向大概自旋极化30%。
3.根据权利要求1或2所述的复合构造物的非破坏检查装置，其特征在于，所述阳电子 和电子量检测部件检测伴随着所述宇宙射线μ介子的消减，产生的到达50MeV的衰变电子 和阳电子的强度。
4.根据权利要求3所述的复合构造物的非破坏检查装置，其特征在于，所述阳电子和 电子量检测部件包括第一检测板和第二检测板，所述第一检测板配置在所述宇宙射线μ 介子的照射侧，用于检测μ介子的位置和路线；所述第二检测板配置在所述第一检测板和 所述复合构造物之间，用于检测在所述复合构造物内伴随着所述μ介子的消减而产生的 阳电子和电子量。
5.根据权利要求4所述的复合构造物的非破坏检查装置，其特征在于，所述第一检 测板的位置分辨率为士2. 50cm，有感面积是ImX Im;所述第二检测板的位置分辨率为 士 1. 25cm，有感面积是 0. 5m X0. 5m。
6.根据权利要求4或5所述的复合构造物的非破坏检查装置，其特征在于，所述放射线 照相数据处理部件包括鉴别部件和数据处理部件，所述鉴别部件将来自所述阳电子和电子 量检测部件的输入信号以给定基准同步脉冲采样，并从该采样的输入信号除去噪声成分， 只分选μ介子的检测信号；所述数据处理部件处理来自所述鉴别部件的输出信号并生成 放射线照相信息。
7.根据权利要求6所述的复合构造物的非破坏检查装置，其特征在于，所述复合构造 物是钢筋混凝土，所述第一物质是混凝土，所述第二物质是钢筋或钢骨。
8.根据权利要求7所述的复合构造物的非破坏检查装置，其特征在于，在所述检查对 象的钢筋混凝土中，所述钢筋或者钢骨位于离所述混凝土的表层IOcm 20cm的位置。
9.一种非破坏检查方法，利用在行进方向只以给定量自旋极化并通常在水平方向行进 的宇宙射线μ介子，检查复合构造物的表层内部，该方法包括(a)以给定的基准同步脉冲对伴随着在所述复合构造物的内部静止的所述宇宙射线 μ介子的消减，在与所述宇宙射线μ介子的照射方向相反方向以特性的时间常数反射放 出的阳电子和电子量采样的步骤；(b)从采样的信号除去噪声成分的步骤；(C)从除去所述噪声成分的信号分选所述宇宙射线μ介子的检测信号的步骤；(d)处理经分选的所述宇宙射线μ介子的检测信号并生成放射线照相信息的步骤；通过取得表示第二物质的状态的放射线照相信息，检查所述复合构造物的内部，所述 第二物质与存在于所述复合构造物的所述表层内部的所述表层的第一物质不同。
10.根据权利要求9所述的复合构造物的非破坏检查方法，其特征在于，所述宇宙射线 μ介子包含正μ介子和负μ介子，所述正μ介子相对于行进方向大概自旋极化30%。
11.根据权利要求9或 ο所述的复合构造物的非破坏检查方法，其特征在于，所述复合 构造物是钢筋混凝土，所述第一物质是混凝土，所述第二物质是钢筋或钢骨。
12.根据权利要求11所述的复合构造物的非破坏检查方法，其特征在于，在所述检查 对象的钢筋混凝土中，所述钢筋或者钢骨位于离所述混凝土的表层IOcm 20cm的位置。
全文摘要
提供利用宇宙射线μ介子，检查复合构造物的表层内部的非破坏检查装置和非破坏检查方法。一种非破坏检查装置，利用在行进方向只以给定量的自旋极化并大概在水平方向行进的宇宙射线μ介子(12)，检查复合构造物(11)的表层内部，该装置包括检测伴随着在所述复合构造物(11)的内部静止的所述宇宙射线μ介子(12)的消减，在与所述宇宙射线μ介子(12)的照射方向相反方向以特性的时间常数反射放出的阳电子和电子量的阳电子和电子量检测部件(13)；从通过所述阳电子和电子量检测部件(13)检测的阳电子和电子量，把在所述复合构造物(11)的所述表层内部存在的与所述表层的第一物质(11-1)不同的第二物质(11-2)的状态以放射线照相进行数据处理并输出的放射线照相处理部件(14、15、16)。
文档编号G01T1/203GK101971010SQ200980106309
公开日2011年2月9日 申请日期2009年2月23日 优先权日2008年2月25日
发明者永岭谦忠 申请人:高能加速器研究所