[論文レビュー] Historical building stability monitoring by means of a cosmic ray tracking system

A. Zenoni, G. Bonomi+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、宇宙線ミューオンを用いた非侵襲的で長期的な安定性モニタリング手法を提案し、数か月から数年にわたりミリメートルスケールの変位を検出するミューオン散乱を利用した方法である。この手法は、シンチレーション繊維検出器とシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を用い、ベレスィアのパラッツォ・デッラ・ロッジアの木造屋根の部分におけるサブミリメートル精度のモニタリングを示すため、モンテカルロシミュレーションを用いて検証された。これは、ゆっくりとした変形現象のモニタリングに実用的であることが示された。

ABSTRACT

Cosmic ray radiation is mostly composed, at sea level, by high energy muons, which are highly penetrating particles capable of crossing kilometers of rock. Cosmic ray radiation constituted the first source of projectiles used to investigate the intimate structure of matter and is currently and largely used for particle detector test and calibration. The ubiquitous and steady presence at the Earth's surface and the high penetration capability has motivated the use of cosmic ray radiation also in fields beyond particle physics, from geological and archaeological studies to industrial applications and civil security. In the present paper, cosmic ray muon detection techniques are assessed for stability monitoring applications in the field of civil engineering, in particular for static monitoring of historical buildings, where conservation constraints are more severe and the time evolution of the deformation phenomena under study may be of the order of months or years. As a significant case study, the monitoring of the wooden vaulted roof of the "Palazzo della Loggia" in the town of Brescia, in Italy, has been considered. The feasibility as well as the performances and limitations of a monitoring system based on cosmic ray tracking, in the considered case, have been studied by Monte Carlo simulation and discussed in comparison with more traditional monitoring systems. Requirements for muon detectors suitable for this particular application, as well as the results of some preliminary tests on a muon detector prototype based on scintillating fibers and silicon photomultipliers SiPM are presented.

研究の動機と目的

• 構造的要素に遮られ、従来の光学的手法が使用できない歴史的建造物における非侵襲的で長期的な監視システムの開発を目的とする。
• 土木構造物におけるミリメートルスケールの変位を検出するために、宇宙線ミューオンを用いる可能性を評価することを目的とする。
• 実際の歴史的建造物に一般的な環境条件下で、シンチレーション繊維とSiPMを用いたミューオントラッキングシステムの性能を評価することを目的とする。
• 精度、設置制約、データ取得時間の観点から、提案されたミューオンベースのシステムと従来の機械的監視手法を比較することを目的とする。

提案手法

• 固定基準系として、3つの軸方向に整列したシンチレーション繊維検出器モジュール（40 cm × 36 cm × 6 mm）を、直交する層で構成したミューオン望遠鏡が用いられた。
• 監視対象構造物に配置された、寸法と組成が同一のミューオンターゲットを用い、相対的位置追跡が可能となった。
• 上流および下流の両方でミューオンの軌跡を測定し、角度散乱を計算することで、物質の厚さと密度と関連づけた。
• GEANT4ツールキットを用いたモンテカルロシミュレーションにより、15 cm 厚の木造天井を含むパラッツォ・デッラ・ロッジアの全幾何形状をモデル化し、ミューオンの相互作用と散乱をシミュレートした。
• 大規模なイベントサンプルに統計的推論を適用し、位置不確実性を抽出した。精度はデータ取得時間の関数として評価された。
• 幾何パラメータの調整とデータ解析技術の向上により、検出器の効率を2〜3倍向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線ミューオントラッキングは、数か月から数年にわたり、歴史的建造物におけるミリメートルスケールの変位を検出可能か？
• RQ2 木造天井のような厚い遮蔽物が、ミューオンベースの監視システムの測定精度に与える影響はいかほどか？
• RQ3 データ解析技術の改善と幾何的最適化により、システムの効率をどの程度向上させ、データ取得時間を短縮できるか？
• RQ4 遮蔽され、視認できない構造配置において、ミューオントラッキングシステムは、従来のレーザーおよびジオデシック測定装置と比較して、精度と実用性において優位性を示せるか？
• RQ5 長期的で低侵襲性の構造監視に最適な検出器構成と技術（例：SiPMを用いたシンチレーション繊維）は何か？

主な発見

• 提案されたミューオントラッキングシステムは、パラッツォ・デッラ・ロッジアで観測された変位に対して、1.0 mm未満の位置測定不確実性を達成した。これは、変形現象の時間スケールと整合的であった。
• データ取得時間は、構造的変形の緩やかな変化と整合的であり、長期的な監視に適していることが示された。
• ハードウェアを変更せずに、データ解析技術の向上により、システムの効率を2〜3倍向上させることができる。
• 検出器レイアウトの幾何的変更により、さらなる性能向上が可能であり、さまざまな建物構造に適応可能な設計の柔軟性があることが示された。
• シンチレーション繊維とSiPMの組み合わせは、耐久性があり、低コストで信頼性が高く、歴史的建造物における長期的な設置に適したソリューションを提供する。
• モンテカルロシミュレーションにより、単一の基準系から複数の構造的ポイントを同時にグローバルに監視することが、本手法の実用性を裏付けた。