[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究首次在英国铁路隧道中开展便携式宇宙射线μ子层析成像的现场应用，仅用30分钟扫描即以高统计显著性成功识别出此前未知的隐藏空腔。该技术可非侵入式、快速检测地下密度异常（如废弃的施工竖井），为铁路基础设施监测提供了一种安全替代方案，避免了钻探等侵入性方法。

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.

研究动机与目标

• 开发并部署一种便携式、现场可部署的宇宙射线μ子追踪系统，用于非侵入式成像铁路隧道覆岩。
• 在不依赖历史记录或侵入性方法的情况下，检测废弃铁路隧道覆岩中隐藏的空腔或密度异常。
• 在访问受限且地形数据不完整的真实条件下，验证该技术的可行性。
• 证明μ子层析成像可识别运行中或废弃铁路隧道中潜在的结构隐患（如废弃施工竖井）。

提出的方法

• 系统采用两层EJ-200塑料闪烁体——上层为六根90×15×4 cm的条形探测器，下层为三块30×30×4 cm的平板探测器，均垂直于隧道轴线布置。
• μ子探测通过下层探测器信号的硬件逻辑或（OR）触发，随后在64 ns时间窗口内，通过软件逻辑与（AND）将上下层信号关联。
• 信号处理采用CAEN DT5740数字化仪，采样频率为62.5 MHz，各探测器阈值经优化以最大化μ子探测效率（88–98%），同时抑制噪声。
• 将实测μ子通量与基于地形测量和推断覆岩厚度得出的预期值进行比较，通过18条视线方向的方位角分箱提升空间分辨率。
• 采用冗余数据分析方法，在地形数据有限或不准确时，结合μ子通量测量与假设的岩石密度，估算覆岩高度。
• 通过统计显著性评估通量偏差，识别相对于预期覆岩密度的低密度区域（如空腔）。

实验结果

研究问题

• RQ1 便携式、现场可部署的μ子层析成像系统能否以高统计置信度检测铁路隧道覆岩中的隐藏空腔？
• RQ2 当地形数据不完整或缺失时，μ子层析成像在多大程度上能准确估算覆岩厚度？
• RQ3 μ子通量异常在多大程度上可归因于大尺度地质构造，而非局部地下空腔？
• RQ4 在缺乏先验知识或历史记录的情况下，μ子层析成像能否可靠识别废弃铁路隧道中的废弃施工竖井？
• RQ5 在访问受限且扫描时间短（如30分钟）的真实条件下，该系统性能如何？

主要发现

• 仅使用100小时μ子数据，系统在阿尔弗雷顿旧隧道80 m处成功识别出此前未知的隐藏空腔，其μ子通量显著高于预期值和推断值，具有统计显著性。
• 试验后经铁路管理部门确认，该空腔存在，此前其已对地下稳定性表示担忧。
• 系统以高统计显著性成功检测出三个已知的开放竖井，验证了其准确性和灵敏度。
• 该技术在地形数据有限或不准确时，仍能通过冗余μ子数据可靠估算覆岩厚度，表现出强鲁棒性。
• 采用20 m分箱策略可降低对小尺度地表特征的敏感性，使在访问条件差或缺乏地面数据区域的覆岩估算更加可靠。
• 该方法仅基于μ子通量数据即可推断地表高程和覆岩厚度，显著减少了对高分辨率地形测绘的依赖。