CN113358674A - 针对钢筋混凝土构件设计的中子共振ct成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像系统及方法，包括中子源、探测系统以及用于带动钢筋混凝土构件转动的旋转样品台，其中，钢筋混凝土构件位于旋转样品台上，中子源发出的中子束流照射到钢筋混凝土构件后进行透射，再经探测系统记录透射中子数据，该系统及方法能够实现钢筋混凝土构件的成像。
Description
技术领域
本发明属于中子无损检测技术领域，涉及一种针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像系统及方法。
背景技术
钢筋锈蚀是当今世界影响钢筋混凝土耐久性的主要因素之一，严重的锈蚀可导致钢筋混凝土建筑物的服役退化乃至失效破坏，已成为全世界普遍关注并日益突出的一大危害。深入地追踪研究混凝土构件中钢筋锈蚀的发展规律，是当前亟需解决的一个研究难题。针对钢筋混凝土构件的检测，国内外学者进行了大量探索工作。如代尔夫特理工大学Branko Savija等人在非专利文献1(B.Savija,M.Lukovic,S.A.S. Hosseini,J.Pacheco,E.Schlangen,Corrosion induced cover cracking studied by X-ray computedtomography，nanoindentation, and energy dispersive X-ray spectrometry(EDS)，Mater Struct, 48(2015)2043-2062.)中利用了X射线断层成像技术观测钢筋锈蚀过程，但受限于X射线穿透能力较弱的特点，X射线断层成像技术往往仅适用于小尺度钢筋混凝土构件的检测。相比于X射线，中子同样是一种理想的微观探针，其具有电中性、穿透性强、有特征共振峰结构、有磁矩以及可分辨同位素、轻元素及近邻元素等特点。针对大尺度钢筋混凝土构件的检测，中子射线无损检测技术具有巨大的优势。在非专利文献 2(P.Zhang,Z.L.Liu,Y.Wang,J.B.Yang,S.B.Han,T.J.Zhao, 3D neutron tomography of steelreinforcement corrosion in cement-based composites,Constr Build Mater,162(2018)561- 565.)中，青岛理工大学张鹏等人首次采用三维热中子断层成像技术对混凝土内钢筋锈蚀情况进行检测，得益于中子的强穿透性和对轻元素(特别是氢元素)敏感等优势，证实中子断层成像技术适和大尺度混凝土构件的检测，并可以获得较好的分辨率。但其太依赖腐蚀产物中氢的分布，并且无法对腐蚀产物内核素成分进行识别。在非专利文献3(D.Sudac， K.Nad,J.Obhodas,V.Valkovic,Corrosion monitoring of reinforcedconcrete structures by using the 14MeV tagged neutron beams,AdvancedEnvironmental,Chemical,and Biological Sensing Technologies IX,2012.)中，D.Sudac等人利用氘氚反应产生14MeV中子，并探测出射的α粒子和特征γ，进而获得锈蚀钢筋混凝土构件内部的元素成分，但该技术无法进行成像。针对钢筋混凝土构件锈蚀情况检测，目前国际上没有既可以识别锈蚀产物成分，又可以获得其空间分布的技术。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像系统及方法，该系统及方法能够实现钢筋混凝土构件的成像。
为达到上述目的，本发明所述的针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像系统包括中子源、探测系统以及用于带动钢筋混凝土构件转动的旋转样品台，其中，钢筋混凝土构件位于旋转样品台上，中子源发出的中子束流照射到钢筋混凝土构件后进行透射，再经探测系统记录透射中子数据。
中子源的能谱宽度及能量分辨率均满足铁元素和氧元素的识别要求。
一种针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像方法包括以下步骤：
旋转样品台带动钢筋混凝土构件在转动过程中，每隔预设角度，探测系统获取一组透射中子数据I，完成180°的完备投影数据采集，同时分别进行入射中子数据I0测量以及本底数据IB测量，再计算投影数据，然后基于核素Fe-56和O-16的特征共振峰进行能量筛选，以分别获取关联铁元素和氧元素共振特性的投影数据PFe及PO，再计算关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO，最后根据关联铁元素和氧元素共振特性的投影数据PFe及PO和关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO，利用断层图像重建算法重建钢筋混凝土构件的成像。
根据式(1)计算投影数据；
根据式(2)及铁的氧化物中原子比重ξ计算关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO；
PIO＝ξ·PFe+(1-ξ)·PO (2)
根据关联铁元素和氧元素共振特性的投影数据PFe及PO和关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO，利用断层图像重建算法重建钢筋混凝土构件的成像的具体过程为：
根据式(3)构建重建模型，再根据关联铁元素和氧元素共振特性的投影数据PFe及PO和关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO，利用断层图像重建算法重建钢筋混凝土构件的成像；
P＝Af (3)。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像系统及方法在具体操作时，采用宽能谱的中子源对钢筋混凝土构件进行照射，以核素Fe-56和O-16的特征共振峰作为透射中子能量筛选的依据，分别获得对应铁元素和氧元素的透射中子数据，并处理得到元素的投影数据，再进行断层图像重建分别得到铁元素和氧元素的空间分布情况，最后将铁元素对应的投影数据和氧元素对应的投影数据以锈蚀产物的原子比例系数进行关联，并断层重建获得锈蚀产物的空间分布，继而实现钢筋混凝土构件的成像，需要说明的是，本发明可以尽早地检测出锈蚀产物成分，并以此判断锈蚀过程的发展程度，提前避免由于锈蚀过程进一步发展而带来的巨大危害。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为核素Fe-56和O-16的中子截面图，其中，图2a为核素O-16 的中子反应截面曲线图，图2b为核素Fe-56的中子反应截面曲线图；
图3为基于蒙卡模拟的钢筋混凝土构件2样品扫描模式图；
图4为三种投影数据的正弦图，其中，图4a为不加能量筛选的投影数据正弦图；
图4b为关联铁元素共振特性的投影数据(PFe)正弦图；
图4c为关联氧元素共振特性的投影数据(PO)正弦图；
图4d为关联铁的氧化物共振特性的投影数据(PIO)正弦图；
图5为基于蒙卡模拟的断层图像重建的结果图，其中，图5a为利用投影数据PFe重建得到的断层图像；
图5b为利用投影数据PO重建得到的断层图像；
图5c为利用投影数据PIO重建得到的断层图像；
图5d为a的阈值图像；
图5e为b的阈值图像，图5f为c的阈值图像。
其中，1为中子源、2为钢筋混凝土构件、3为探测系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像系统包括中子源1、旋转样品台以及探测系统3，其中，中子源1发出的中子束流照射到钢筋混凝土构件2后进行透射，再经探测系统3记录透射中子数据，其中，中子源1的能谱宽度及能量分辨率均满足铁元素和氧元素的识别要求，同时通过旋转样品台带动钢筋混凝土构件2转动。
在工作时，每个预设角度获取一组透射中子数据I，完成180°的完备投影数据采集，其中，预设角度可以为1°，同时分别进行入射中子数据I0测量以及本底数据IB的测量，再根据式(1)计算投影数据，并根据核素Fe-56和O-16的特征共振峰进行能量筛选，分辨获得关联铁元素和氧元素共振特性的投影数据PFe及PO，如图2所示，然后根据式 (2)及铁的氧化物中原子比重ξ计算关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO，图4为各组投影数据对应的正弦图，其中，b、c及d正弦图上灰暗程度分别体现了各区域的元素分布情况。最后根据式(3)建立重建模型，并利用断层图像重建算法重建钢筋混凝土构件2的成像。
PIO＝ξ·PFe+(1-ξ)·PO (2)
P＝Af (3)
蒙卡结果验证结果如图3、图4及图5所示，图3为针对钢筋混凝土构件2模拟设计的扫描模式示意图，角度间隔1°获得一组测量数据，同时参考核素Fe-56和O-16共振特性，分别筛选能量段为26keV-29keV 和415keV-455keV的入射中子和透射中子。根据式(1)和式(2)获投影数据PFe、PO及PIO。图4为各组投影数据对应的正弦图，其中，图4b、图4c及图4d中上灰暗程度分别体现了各区域的元素分布情况，分别由投影数据PFe和PO重建的断层图像图5a和图5b以及对应的阈值图像图 5d和图5e显示了铁元素和氧元素分布，但在铁元素或氧元素分布区域内无法将铁的氧化物识别出来。而利用投影数据PIO重建得到的断层图像图5c及其阈值图像f则可以将铁的氧化物区域识别出来，证实了本发明的有效性。
Claims (6)
1.一种针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像系统，其特征在于，包括中子源(1)、探测系统(3)以及用于带动钢筋混凝土构件(2)转动的旋转样品台，其中，钢筋混凝土构件(2)位于旋转样品台上，中子源(1)发出的中子束流照射到钢筋混凝土构件(2)后进行透射，再经探测系统(3)记录透射中子数据。
2.根据权利要求1所述的针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像系统，其特征在于，中子源(1)的能谱宽度及能量分辨率均要满足铁元素和氧元素的识别要求。
3.一种针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像方法，其特征在于，基于权利要求1所述的针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像系统，包括以下步骤：
旋转样品台带动钢筋混凝土构件(2)在转动过程中，每隔预设角度，探测系统(3)获取一组透射中子数据I，完成180°的完备投影数据采集，同时分别进行入射中子数据I0测量以及本底数据IB测量，再计算投影数据，然后基于核素Fe-56和O-16的特征共振峰进行能量筛选，分别获取关联铁元素和氧元素共振特性的投影数据PFe及PO，再计算关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO，最后根据关联铁元素和氧元素共振特性的投影数据PFe及PO和关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO，利用断层图像重建算法重建钢筋混凝土构件(2)的成像。
4.根据权利要求3所述的针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像方法，其特征在于，根据式(1)计算投影数据；
5.根据权利要求3所述的针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像方法，其特征在于，根据式(2)及铁的氧化物中原子比重ξ计算关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO；
PIO＝ξ·PFe+(1-ξ)·PO (2)
6.根据权利要求3所述的针对钢筋混凝土构件设计的中子共振CT成像方法，其特征在于，最后根据关联铁元素和氧元素共振特性的投影数据PFe及PO和关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO，利用断层图像重建算法重建钢筋混凝土构件(2)的成像的具体过程为：
根据式(3)构建重建模型，再根据关联铁元素和氧元素共振特性的投影数据PFe及PO和关联铁的氧化物共振特性的投影数据PIO，利用断层图像重建算法重建钢筋混凝土构件(2)的成像；
P＝Af (3)。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113358674B (zh) | 2024-05-24 |
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