[論文レビュー] The application of muon tomography to the imaging of railway tunnels

L.F. Thompson, J.P. Stowell+7 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Jun 13, 2019

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、英国の鉄道トンネルの上覆層を画像化するためのポータブル宇宙線ミューオン断層撮影法の初の現地応用を示した。30分間のスキャンで、統計的に有意な高い信頼性で、以前に未知であった隠れた空洞を特定した。この技術により、侵入的でない方法で地下密度異常（例：放棄された建設坑道など）を迅速に検出可能であり、鉄道インfraストラクチャーの監視において、侵入的コアサンプルの代替手段として安全に利用できる。

ABSTRACT

Cosmic Ray Muon Radiography utilizes highly-penetrating cosmic ray muons to image the density profile of an object of interest. Here we report on the first trial to use a portable field-deployable cosmic ray tracking system in order to image the whole overburden of a UK railway tunnel with short duration scans (c. 30 minutes). A unknown overburden void was identified and, post-trial, confirmed by railway authorities. These experiments demonstrate the identification of hidden construction shafts with high levels of statistical significance as density anomalies within the data.

研究の動機と目的

• 鉄道トンネルの上覆層を非侵襲的に画像化するための、ポータブルで現場設置可能な宇宙線ミューオン追跡システムの開発と実装。
• 歴史的記録や侵入的手段に依存せずに、休止中の鉄道トンネルの上覆層内の隠れた空洞や密度異常を検出すること。
• アクセス制限や不完全な地形データがある現実の条件下で、技術の実用性を検証すること。
• ミューオン断層撮影法が、稼働中または休止中の鉄道トンネルにおいて、放棄された建設坑道などの潜在的構造的危険要因を信頼性高く同定できることを示すこと。

提案手法

• システムは、トンネル軸に対して垂直に配置された2層のEJ-200プラスチックシンチレーターで構成される。上層には90×15×4 cmのバーが6本、下層には30×30×4 cmのパドルが3本配置されている。
• ミューオン検出は、下層パドルのハードウェアベース論理ORによるトリガーを経て、64 nsの時間窓内での上層・下層信号間のソフトウェアベース論理ANDによって実施される。
• 信号処理には、62.5 MHzでサンプリングするCAEN DT5740デジタイザが使用され、個々の検出器のしきい値を最適化して、ミューオン検出効率（88–98％）を最大化するとともにノイズを効果的に排除する。
• ミューオンフラックス率は、地形調査から導かれた期待値および推定された上覆層厚さと比較され、18本の視線方向に角度ビンを用いることで空間分解能を向上させる。
• 冗長なデータ解析アプローチにより、地形データが限られたり不正確であったりする状況でも、仮定された岩石密度と組み合わせたミューオンフラックス測定値から、上覆層高さの推定が可能となる。
• フラックスの偏差の統計的有意性を評価し、期待される上覆層と比較して密度が低い領域（例：空洞）を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポータブルで現場設置可能なミューオン断層撮影システムは、統計的に高い信頼性で鉄道トンネルの上覆層内の隠れた空洞を検出可能か？
• RQ2 地形データが不完全または利用不可の状況下でも、ミューオン断層撮影法は上覆層厚さをどれほど正確に推定できるか？
• RQ3 ミューオンフラックスの異常は、大規模な地質的特徴と比較して、どれほど局所的な地下空洞に起因していると特定できるか？
• RQ4 事前の知識や歴史的記録がなくても、ミューオン断層撮影法は休止中の鉄道トンネル内の放棄された建設坑道を信頼性高く同定可能か？
• RQ5 アクセス制限や短時間スキャン（例：30分）がある現実の条件下で、このシステムはどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 100時間のミューオンデータを用いて、Alfreton Old Tunnelの80 m地点に、以前に未知であった隠れた空洞が検出された。期待値および推定値と比較して、ミューオンフラックスに統計的に有意な過剰が観察された。
• 試験後、鉄道当局がその地点に地下不安定性に関する懸念を表明していたことから、空洞の同定は後日確認された。
• システムは、事前に確認済みの3か所の開放された坑道を、高い統計的有意性で正常に検出でき、その正確性と感度が検証された。
• 地形データが限られたり不正確であったりする状況下でも、冗長なミューオンデータを用いた上覆層厚さ推定が、堅牢に実行された。
• 20 mのビンニング戦略により、微細な地表面特徴の影響が低減され、アクセスが困難な地域や地上データが欠落している地域でも、信頼性の高い上覆層推定が可能になった。
• 表面高さおよび上覆層の推定が、ミューオンフラックスデータのみから可能となり、高解像度の地形調査への依存が削減された。