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μ子层析成像(Muon tomography)| 混凝土结构检测新技术发展方向

来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2022-07-19 | 219 次浏览 | 分享到:

      由于基础设施老化和交通需求增加,混凝土结构的质量保证和状态评估是世界范围内的重要课题。常见问题包括但不限于钢筋或肌腱管道的定位、几何不规则性、裂缝、空隙、蜂窝或其他缺陷。超声波或雷达等非破坏性技术已得到常规成功的实际应用,但有时会受到分辨率和准确性有限、成像伪影或检测某些特征的限制的影响。直到 1980 年代X 射线传输才被用于特殊要求的情况下,并显示出比其他 NDT 技术更好的分辨率。然而由于安全问题和成本问题,这种方法几乎不再使用。介子断层扫描最近受到了很多关注。用于宇宙μ子的新型探测器和断层成像算法开辟了新的应用领域,例如货运集装箱的研究。

      μ子层析成像(Muon tomography)也有可能填补目前混凝土无损检测中存在的一些空白。作为实际使用的第一步和概念验证,我们使用现有系统对参考钢筋 600 公斤混凝土块的内部进行成像。即使尚未针对此类研究进行优化设置,与超声波和雷达成像相比,μ介子成像结果至少具有相似的质量,甚至可能更好。数据采集需要更多时间,信号包含更多噪声,但图像可以检测到与传统X 射线断层扫描中可见的相同重要特征。在我们的实验中,我们已经证明 μ 子成像(Muon tomography)具有用于具体检查的潜力。

      X 射线摄影(包括 X 射线断层摄影和层析成像等变体)可以提供具有出色分辨率的图像。根据辐射能量,混凝土结构的穿透厚度可达 1 m,空间分辨率为几毫米。但是,在使用 X 射线照相时,必须始终注意遵守辐射防护规定。在实践中,这通常意味着无法应用 X 射线照相术。

       μ子层析成像(Muon tomography)是一种使用自然宇宙背景辐射作为来源的纯被动技术,有可能克服其中一些问题。包括μ子在内的高能粒子阵雨不断地由宇宙射线和高层大气之间的碰撞产生。这些产生的μ子具有很强的穿透力,可以穿过数十到数百米的岩石,然后才能静止。由于宇宙μ子是一种自然发生的辐射,因此产生它们没有成本或能量要求,并且由于没有产生额外的辐射,因此没有安全问题。它是一种被动成像系统。有两种类型的μ子成像技术。第一个是介子吸收成像(或介子射线照相),第二个是介子多重散射成像(或介子层析成像)。介子射线照相使用一个检测器(或同一平面上的一组检测器)在通过感兴趣对象后检测介子,而介子断层扫描使用两个检测器(或不同平面上的两组检测器)检测通过前后的介子通过感兴趣的对象,后者允许对物体的散射特性进行体积重建,从而产生高分辨率的 3D 图像。

      以下为几种常见检测方法结果对比:

图 1  水平横截面,深度 12 cm(腱管) 

a. 设计腱管位置   b. μ子层析成像   c. 雷达   d.  超声断层成像(x 偏振)   e.  X 射线层析成像

 

图 2 水平横截面,深度 17 厘米(下加强筋和聚苯乙烯泡沫塑料板)

a. 带有钢筋位置和泡沫塑料板的设计   b.  μ子断层扫描   c.  雷达   d.  超声(y 偏振)   e. X 射线层析成像    f. 下部钢筋的细节(y 方向上最左边的钢筋之间的距离比平时小)


      对钢筋混凝土块进行μ介子断层扫描的实验是成功的,所有内置功能均已检测并正确识别。图像的清晰度与雷达和超声波相匹配,而分辨率甚至可能更好。钢筋的检测限小于 1 厘米直径的钢筋。然而对结果的彻底定量评估和验证仍有待进行。目前雷达和超声波的设备成本和对操作员技能的要求也低得多。目前状态下的μ子断层成像无法达到 X 射线断层成像的图像质量,但是它不需要在现场采取任何辐射安全措施。我们认为μ子断层扫描可以发展成为无损结构调查的有用工具,以填补目前现场使用的技术空白。