本発明は、例えば、かぶり厚が１０〜２０ｃｍの鉄筋コンクリート建造物のような複合構造物の表層内部に位置する異質物同士の存在状態を精度よく短時間で測定できる非破壊検査方法および装置に関する。

複合構造物（例えばコンクリート内に鉄棒が埋設された鉄筋コンクリート建造物）の表層内部の存在状態を非破壊で検査するための従来法としては、例えば、赤外線サーモグラフィー法（特許文献１）、超音波法（特許文献２）、レーダー法（特許文献３）およびＸ線法（特許文献４）などが挙げられる。 しかしながら、これらの従来法はいずれも、空間解像度と探索できる深さに限界があるため、上記かぶり厚の鉄筋コンクリートの表層内部に位置する鉄棒の形状やサイズ等のような具体的な情報を正確に測定するのは困難であった。

また、厚さが数メートル以上あるような厚肉の複合構造物、例えば鉄筋コンクリート建造物）では、表面から１０〜２０ｃｍの表層内部に異質物である鉄筋が埋設されており（すなわち、かぶり厚が１０〜２０ｃｍである）、このような複合構造物の表層内部に位置する異質物（例えば鉄棒とコンクリート）同士の存在状態を測定する場合には、透過型の検査装置では、その原理上測定することが困難であり、反射型の検査装置を用いることが必要である。

このため、厚さが数メートル以上あるような厚肉の複合構造物であって、その複合構造物の表層内部に位置する鉄棒の形状やサイズ等のような具体的な情報を正確に測定できる方法を新たに開発することが望まれている。

特開２００５−２４９５３６号公報

特開２００５−３１５６２２号公報

特開平９−２９２３５０号公報

特開平１０−１９７４５６号公報

この発明の目的は、粒子加速器で生成させた高エネルギー粒子ミュオンを利用し、具体的には、少なくとも２種類以上の異質物からなる複合構造物（例えば鉄棒と、該鉄棒を被覆するコンクリートとの２種類の異質物からなる鉄筋コンクリート建造物）の表面にミュオンを照射し、照射したミュオンのエネルギーの損失に伴って、複合構造物の表層内部の所定深さ位置にミュオンを静止させ、ミュオンの死滅に伴って照射方向とは逆向きに放出される特性を持つ陽電子の量を検出することにより、厚さが数メートル以上あり、かつ、かぶり厚が１０〜２０ｃｍであるような鉄筋コンクリート建造物の表層内部に位置する鉄棒の形状やサイズ等のような具体的な情報を、ミリメートルオーダーの精度で、しかも、鉄棒1本当り２０秒程度の短時間で測定できる非破壊検査方法および非破壊検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明の要旨は以下のとおりである。
(１) 粒子加速器で生成した素粒子からミュオンを生成する過程と、生成したミュオンを所定の立体角で捕獲・輸送し、輸送されたミュオンを、少なくとも２種類以上の異質物からなる複合構造物の表面に照射し、照射したミュオンのエネルギの損失に伴って、複合構造物の表層内部の所定深さ位置にミュオンを静止させる過程と、静止させたミュオンの死滅に伴って、ミュオンの照射方向とは逆向きに放出される特性を持つ陽電子の量を検出する過程とを具えることを特徴とする、複合構造物の表層内部に位置する異質物同士の存在状態を精度よく短時間で測定できる非破壊検査方法。

（２）前記所定深さ位置は、複合構造物の表面から深さ２０ｃｍ以内の位置である上記（１）記載の非破壊検査方法。

（３）前記複合構造物は、鉄棒と、該鉄棒を被覆するコンクリートとの２種類の異質物からなる鉄筋コンクリートである上記（１）または（２）記載の非破壊検査方法。

（４）ミュオンを生成するための粒子加速器と、電子加速器で生成したミュオンを所定の立体角で捕獲・輸送するための磁場閉じ込め輸送手段と、輸送されたミュオンを、少なくとも２種類以上の異質物からなる複合構造物の表面に照射し、照射したミュオンのエネルギの損失に伴って、複合構造物の表層内部の所定深さ位置にミュオンを静止させ、静止させたミュオンの死滅に伴って、ミュオンの照射方向とは逆向きに放出される陽電子の量を検出する陽電子検出手段と、陽電子検出手段により検出した陽電子の量から、複合構造物の表層内部に位置する異質物同士の存在状態をラジオグラフィとして取り出す画像処理手段とを具えることを特徴とする、複合構造物の表層内部に位置する異質物同士の存在状態を精度よく短時間で測定できる非破壊検査装置。

（５）前記粒子加速器は、300MeV以上の高エネルギー小型電子加速器である上記（４）記載の非破壊検査装置。

（６）前記磁場閉じ込め輸送手段は、超伝導ソレノイドである上記（４）または（５）記載の非破壊検査装置。

（７）前記陽電子検出手段は、多重細分化された２枚のプラスチックシンチレーターである上記（４）、（５）または（６）記載の非破壊検査装置。

（８）前記非破壊検査装置は、複合構造物が位置する場所への移動が可能である上記（４）〜（７）のいずれか１項記載の非破壊検査装置。

この発明によれば、粒子加速器で生成させた高エネルギー素粒子ミュオンを利用し、具体的には、少なくとも２種類以上の異質物からなる複合構造物（例えば鉄棒と、該鉄棒を被覆するコンクリートとの２種類の異質物からなる鉄筋コンクリート建造物）の表面にミュオンを照射し、照射したミュオンのエネルギーの損失に伴って、複合構造物の表層内部の所定深さ位置にミュオンを静止させ、ミュオンの死滅に伴って照射方向とは逆向きに放出される特性を持つ陽電子の量を検出することにより、厚さが数メートル以上あり、かつ、かぶり厚が１０〜２０ｃｍであるような鉄筋コンクリート建造物の表層内部に位置する鉄棒の形状やサイズ等のような具体的な情報を、ミリメートルオーダーの精度で、しかも、鉄棒1本当り２０秒程度の短時間で測定できる非破壊検査方法および非破壊検査装置の提供が可能になった。

特に、この発明は、例えば鉄筋コンクリート建造物、高架道路、橋梁、ダム等のような大型複合構造物の表層内部の存在状態を測定する場合に適している他、磁場のない状態で血流磁化のミュエスアール（μＳＲ）測定による深部微小領域での動物の脳機能を観測する場合など、種々の広い分野にわたって適用することが可能である。

この発明に従う実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。
図１は、この発明に従う非破壊検査装置の要部構成を概略示す斜視図である。

図１に示す非破壊検査装置１は、粒子加速器２、磁場閉じ込め輸送手段３、陽電子検出手段４および画像処理手段（図示せず）とで主に構成される。

粒子加速器は、電子、陽子、重イオン等の粒子からミュオンを生成するための装置であって、具体的には、前記粒子と原子核との反応でパイオンπ ^＋ 、π ⁻が生成され、生成したパイオンの崩壊によりミュオンμ ^＋ 、μ ⁻を発生させることができる。 特に、小型化して、非破壊検査装置１全体を移動可能にする必要がある場合には、粒子加速器２として、300MeV以上の高エネルギー小型電子加速器を用いることが好ましい。

ところで、ミュオンは、質量が陽子質量の約１／９倍、電子質量の約２０７倍の素粒子であり、正、負の電荷をもつμ ^＋ 、μ ⁻の２つの種類がある。 また、ミュオンは２．２μｓの寿命で死滅し、その際に、５０メガ電子ボルト（ＭｅＶ）のエネルギの陽電子ｅ ^＋ 、電子ｅ ⁻とニュートリノを発生する。 ミュオンは宇宙線として地表に飛来するが、大強度で得るには、加速器を用いて高エネルギー（３００ＭｅＶ以上）の陽子や電子を得て、原子核との反応でパイオン（パイ中間子・湯川中間子）π ^＋ 、π ⁻を発生させ、このパイオンπ ^＋ 、π ⁻が崩壊してミュオンμ ^＋ 、μ ⁻を大量に発生させることができる。 物質中でミュオンは、主として電磁相互作用のみが働く。 このような素粒子ミュオンの性質を利用して、色々な応用科学研究が可能である。

一方、ラジオグラフィーの最も身近な例としては、Ｘ線を用いて人体の透過像をとる「レントゲン写真」が挙げられる。 また、光・粒子線ラジオグラフィーとして、一般に、単一検出器系による「透過減衰法」と、２つの検出器系による「透過摂動法」の２つの方法が挙げられる。

透過減衰法は、性質が比較的良く判った光源・粒子源を用いて、対象とする物体にあて、透過する光・粒子の経路ごとの強度変化から、内部の密度分布の情報を得る方法であり、透過摂動法は、対象物を２つの検出器の中間位置に置き、前の検出器で得た光・粒子の性質が、物質を透過する際にどのように「変化」したかを、後の検出器で知り、対象物の内部探索を行なう方法であって、多重散乱角、２次粒子発生、偏極度などが「変化量」になり得る。

レントゲン写真が光（Ｘ線）を用いて人体の透過像をとるように、なんらかの透過像を得るためには、光・粒子の持つエネルギーに対する飛程（止まるまでに物質中を通過する距離）が、対象物の厚さより長いか同程度であること、および光・粒子の検出が容易で経路が容易に同定できることが必要である。

また、図２（ａ）および（ｂ）は、陽子ｐ、電子ｅおよびミュオンμを用い、入射エネルギーに対する物質中の平均飛程の変化を示したものであって、図２（ａ）は物質がカーボン（グラファイト）の場合、図２（ｂ）は物質が水の場合の例である。

これらの図からも明らかなように、一般に粒子のエネルギーを上げるにつれて、さまざまな物質における粒子の飛程は増大するが、電子は「質量が軽いことによる光への変換」のため、また、陽子は「強い相互作用による核反応の増大」のため、それぞれどんなにエネルギーを上げても、ある厚さ以上に飛程を挙げることができない。 これに対して、ミュオンは、厚さが数メートル以上もあるような対象物中であっても、入射エネルギを高めることによって、飛程を対象物の厚さよりも長くできるほか、対象物中の所定の位置に静止させることも可能となるため、非常に有効な素粒子である。

いずれにせよ、厚さが数メートル以上もあるような複合構造物の内部状態を、上述した透過法で測定することは高いエネルギーを必要とし容易ではない。

一般的に、ミュオンの親であるパイオン（パイ中間子、湯川中間子）をつくる方法としては、２つの方法、すなわち、陽子や重イオン加速器によるハドロン核反応：ｐ（ｎ）＋Ａ→π ^±と、電子加速器による光核反応：ｅ ⁻ ＋Ａ→ｅ ⁻ ＋Ｂ＋γ、γ＋Ｃ→Ｄ＋π ^±がある。

さらに、加速器のタイプとしては、線型加速器と、サイクロトロン、シンクロトロン、固定磁場強収束型シンクロトロン（Fixed Field Alternating Gradient、略してＦＦＡＧともいう。）のような円形加速器に大別される。

パイオン生成断面積と後に示す必要なミュオン強度の考察から、陽子では０．１μＡ以上、電子では１０μＡ以上の強度が必要となり、いずれの場合も、放射線遮蔽が必要になることから、残留放射能が局在化される円形加速器を用いることが好適である。

一方、陽子と電子とは、同じエネルギーに対し、陽子の磁場曲率半径が電気の磁場曲率半径の数１００倍大きくなるため、陽子円形加速器を小型化し可動型にすることは全く不可能である。 このため、装置の小型化の観点からは、電子加速器を用いることが好適である。 特に、電子円形加速器の中では、ＦＦＡＧまたはマイクロトロンを用いることが、放射損失が少ないこと、制御が容易であること、商品化が進行していることなどの理由により好ましい。

磁場閉じ込め輸送手段であるビーム輸送系３は、粒子加速器２、図１では300MeV以上の高エネルギー小型電子加速器で生成したミュオンを所定の立体角で捕獲するとともに、この捕獲したミュオンを、測定対象物である複合構造物の照射対象面位置に輸送するため、加速器２と測定対象物との間に配置される。 前記磁場閉じ込め輸送手段としては、具体的には超伝導ソレノイドを用いることが好ましい。 なお、図１では、非破壊検査装置１の内部構造を示すため、それらの内部構造を密閉状態で被覆する部材については取り除いた状態で示してある。

ここでいう「立体角」とは、加速器からの加速粒子を衝突させパイオン・ミュオンを生成する標的から、パイオン・ミュオンを捕獲する有効的角度をいい、所定の立体角は、具体的には、0.1〜１ステラジアンの範囲の大きな角度を意味する。

電子加速器からのパイオン発生は、陽子加速器にからのそれに比べて断面積が１００分の１以下であり、効率が悪い。 このため、本発明では、粒子加速器２で生成したミュオンを、超伝導ソレノイドのような磁場閉じ込めビーム輸送系３によって、大きな立体角での捕獲・輸送を実現化して、ミュオンを効率よく捕獲し、捕獲したミュオンの量をほとんど減じることなく有効に複合構造物に照射することができる。

また、粒子加速器から生じる「パイオン」や「パイオンが死滅して生まれるミュオン」をできるだけ収集し輸送する光学系が開発されており、この光学系をを用いることにより、できるだけ大きな立体角で、できるだけ広いエネルギー（運動量）アクセプタンスをもつように設定することができる。 この光学系の代表的な例としては、本発明者らのグループが開発したＫＥＫ−ＭＳＬにおける「大オメガ（大立体角超伝導軸収束表面ミュオンチャネル）」である。

加速器で生成された電子は、元々の電子強度が強くない。 このため、図１に示すように、超伝導コイル系の磁場閉じ込め輸送手段３を、電子ビーム上、すなわちパイオン／ミュオン生成標的及びビームダンプにかぶせる形で配置することにより、広い運動量幅のミュオンを大立体角で捕らえ、２次標的である複合構造物の照射対象面位置まで輸送することが可能である。

捕獲され輸送されるミュオンは、炭素の光核反応によって生じるパイオンの崩壊によって決まる角度とエネルギー分布を持って生まれ、次の制限を持って反射型ラジオグラフィーに使うことができる。
（ｉ）捕獲する超伝導コイルの磁場の制限から横方向の運動量の上限が決まる。
（ｉｉ）後述するように、本発明では、反射型信号として対象物中に停止したミュオンからの後方陽電子を捕らえて検出するので、利用できるミュオンのエネルギーは５０ＭｅＶ以下となる。
（ｉｉｉ）対象物中に止まり利用されるミュオンは、５０％以上スピン偏極している。

陽電子検出手段４は、輸送されたミュオンを、少なくとも２種類以上の異質物、図１では所定間隔で配設された鉄棒と、これら鉄棒の周りを被覆したコンクリートの２種類の異質物からなる鉄筋コンクリート）からなる複合構造物の表面に照射し、照射したミュオンのエネルギーの損失に伴って、複合構造物の表層内部の所定深さ位置にミュオンを静止させ、静止させたミュオンの死滅に伴って、ミュオンの照射方向とは逆向きに放出される（後方）陽電子の量を検出するために設けられる。 陽電子検出手段４としては、例えば±５ｍｍ以下の幅をもつ間隔をあけた２基１組の多重微細分割プラスチックカウンター、同ファイバーシンチレーションカウンター、ドリフトチェンバー、半導体マイクロチップ検出器等が挙げられ、その中で、特に多重微細分割プラスチックカウンターを用いるのが好ましい。 このように多重細分化（分割細分化）することにより、指向性を持たせ、陽電子の光源、すなわち、ミュオンの静止位置の決定精度を向上させることができる。

図３は、輸送されたミュオンを、鉄筋コンクリートの表層内部（表面から２０ｃｍ以内）に埋設された１本の鉄棒が存在する鉄筋コンクリートの表面部分に照射し、照射したミュオンのエネルギの損失に伴って、前記鉄棒位置にミュオンを静止させ、静止させたミュオンの死滅に伴って、ミュオンの照射方向とは逆向きに放出される（後方）陽電子の量を、陽電子検出手段４で検出したときの状態を概念的に示したものである。

ミュオンは、加速器を用いて高エネルギー（好適には３００ＭｅＶ以上）の陽子や電子を得て、原子核との反応でパイ中間子（湯川中間子）π ^＋ 、π ⁻を発生させ、それが崩壊し、

^＋は進行方向にスピンを揃えて（偏極して）得られ、そして、μ

^＋が死滅して生まれる陽電子は、揃ったスピンの方向に放出され、その陽電子を捕らえることで複合構造物のもつ微視的な磁気的性質をプローブすることができる。 この原理は、ミュエスアール（μＳＲ、ミュオン・スピン・ローテーション／リラクゼーション／レゾナンス法ともいう。）法と呼ばれる。 図４（ａ）は、パイオン崩壊でスピン偏極したミュオンが生成される様子を概念的に示したものであり、図４（ｂ）は、スピン偏極したミュオンから空間非対称性をもって陽電子が発生する様子を概念的に示したものである。

本発明では、このような原理を適用することによって、ミュオンの持つ大きな磁気能率（陽子の３．２倍）と２マイクロ秒という寿命を利用して、原子レベルでミリガウスもの微弱な静的及び動的な磁場の高感度観測が可能になる。 この際、ＮＭＲのような強い磁場は一切必要ない。 このミュエスアール法を用いることにより、コンクリートの中の鉄棒の存在状態を簡単に鮮明にとらえることができる。

コンクリートに止まったミュオンのスピンは、磁性不純物などによる弱い緩和現象を持ち、一方、鉄棒のある位置で止まったミュオンのスピンは、磁気的内部場により、急速なスピン回転を起こし、回転周波数が５０ＭＨｚ程度であるため、測定系の時間分解能を２０ナノ秒以上にすると回転が見えなくなり、検出される陽電子強度が、３分の１になる。

従って、図１に示すように、複合構造物の被測定対象面に対向する位置に非破壊検査装置１を設置して、ミュオンビームを照射することにより、ミュオンビームが鉄棒が埋設された被測定対象面に照射され、ミュオンビームが鉄棒位置に静止した（止まった）時、陽電子強度の減少が起きる。 大型複合構造物中のミュオンビームの止まる位置を変化させるビームデフレクターを用意して、陽電子強度をミュオンビームの位置の関数で測定することにより、鉄筋コンクリート中の鉄棒の配置及び太さ等のサイズを明確に短時間で測定することができる。

さらに、ミュオンパルスと陽電子パルスの時間間隔スペクトルによるミュエスアール信号の解析によって、鉄の腐食状態のモニターが可能である。 純鉄と酸化鉄では、磁気的内部場に相違があり、これに伴って、陽電子強度の時間スペクトルが変化するからである。

また、本発明の非破壊検査装置１は、陽電子検出手段４により検出した陽電子の量から、複合構造物の表層内部に位置する異質物同士の存在状態をラジオグラフィとして取り出す画像処理手段（図示せず）を有する。

画像処理手段としては、例えばミュオンビームの上下左右のスキャニングに同期した陽電子強度の測定による方法等が挙げられる。

また、本発明の非破壊検査装置１は、被測定対象物である複合構造物に対し、陽電子検出器４を、ミュオン生成する粒子加速器２と同じ側に配置する反射型の検査装置であるため、厚さが数メートル以上あるような厚肉の複合構造物の表層内部（表面から深さ２０ｃｍ以内）に位置する異質物（例えば鉄棒とコンクリート）同士の存在状態を測定することが可能である。

また、粒子加速器として、300MeV以上の高エネルギー小型電子加速器を用いることで、非破壊検査装置がコンパクトにすることができ、この結果、加速器から陽電子検出器までのすべての構成部材と、その電源およびヘリウム冷却源などを、例えば幅２．５ｍ、長さ１２ｍ以内の床面積を持つ移動可能なトレーラーなどの運搬車に搭載することができ、これによって、いかなる建造物も被測定対象物とすることができる。

尚、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。 特に、本発明では、複合構造物として鉄筋コンクリート建造物を例にして述べてきたが、原子炉、橋脚、高架道路、船舶、車輌など、種々の複合構造物の内部構造情報を得ることができるのは言うまでもない。

この発明によれば、粒子加速器で生成させた高エネルギー素粒子ミュオンを利用し、具体的には、少なくとも２種類以上の異質物からなる複合構造物（例えば鉄棒と、該鉄棒を被覆するコンクリートとの２種類の異質物からなる鉄筋コンクリート建造物）の表面にミュオンを照射し、ミュオンの死滅に伴って照射方向とは逆向きに放出される特性を持つ陽電子の量を掲出することにより、厚さが数メートル以上あり、かつ、かぶり厚が１０〜２０ｃｍであるような鉄筋コンクリート建造物の表層内部に位置する鉄棒の形状やサイズ等のような具体的な情報を、ミリメートルオーダーの精度で、しかも、鉄棒1本当り２０秒程度の短時間で測定できる非破壊検査方法および非破壊検査装置の提供が可能になった。

特に、この発明は、例えば鉄筋コンクリート建造物、高架道路、橋梁、ダム等のような大型複合構造物の表層内部の存在状態を測定する場合に適している他、磁場のない状態で血流磁化のミュエスアール（μＳＲ）測定による深部微小流域での動物の脳機能を観測する場合など、種々の広い分野にわたって適用することが可能である。

この発明に従う非破壊検査装置の要部構成を概略示す斜視図である。

（ａ）および（ｂ）は、陽子ｐ、電子ｅおよびミュオンμを用い、入射エネルギーに対する物質中の平均飛程の変化を示したものであって、図２（ａ）は物質がカーボン（グラファイト）の場合、図２（ｂ）は物質が水の場合の例である。

ミュオン照射から陽電子検出手段で検出するまでの状態を概念的に示したものである。

（ａ）は、パイオン崩壊でスピン偏極したミュオンが生成される様子を概念的に示したものであり、（ｂ）は、スピン偏極したミュオンから空間非対称性をもって陽電子が発生する様子を概念的に示したものである。

符号の説明

１ 非破壊検査装置 ２ 粒子加速器 ３ 磁場閉じ込め手段（または磁場閉じ込めビーム輸送系）
４ 陽電子検出手段 ５ 複合構造物 ６ 所定深さ載置 ７ コンクリート ８ 鉄棒