基于伽马射线背散射技术的墙体空鼓检测方法研究

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近年来,世界各地因为空鼓而导致建筑物坍塌事故逐年增多,空鼓主要是由建筑墙体本身在建造时各种外部因素所引起,其严重损害了建筑物的承载力和耐久力,对建筑物的安全造成重大威胁。当前如何高效地检测出墙体空鼓消除隐患,是亟待解决的问题。传统检测方法(如拉拔法等)属于破损检验方法,存在检测准确率不高、操作方法复杂和使用成本过高等问题。X射线计算机断层扫描是一种新型非破坏检测方法,该方法可以精确检测墙体中空鼓的三维状态,但该方法放射源和探测系统需放置在被检测物两侧,存在对高层建筑墙体检测不方便的问题,因此如何提高空鼓检测的便捷性是需要继续研究的一个问题。本论文利用康普顿背散射技术对墙体进行空鼓检测,其突出优点为射线源和探测器可以放置在被检测物的同侧,能够解决其他无损检测因位置空间问题所无法解决的一些问题,康普顿散射截面与物体密度成正比,可以很好地区分不同物质。本文针对墙体空鼓检测进行了相关研究工作,主要获得如下研究成果:1)设计了墙体空鼓的检测结构模型,利用蒙特卡罗程序包对模型中源容器、阵列探测器、射线入射角度、源容器-探测器相对布局等进行了模拟研究,并获得了相关最优参数:放射源选取强度为2m Ci的137Cs伽马源,选用3cm厚的铅做成球形容器进行防护;选用长3.2cm,厚1cm的铅作为源准直器材料,准直孔大小为0.448cm时射线准直效果最佳,粒子的利用率高;入射角度选取45°,散射角度为120°即可充分探测散射光子;探测器选取探测效率为65.7%,能量沉积率为32%的5mm×5mm×3cm的Na I(Tl)晶体组成17×17的阵列探测器;探测器晶体之间用0.7mm的铅进行隔离,其串扰率下降到2.42%;源与探测器的距离为3cm,源-探测器结构与墙体之间的距离为1cm。该结构对于半径0.25cm~0.5cm的空鼓可以检测到7cm深度;对于半径大于0.5cm的空鼓,可以检测到10cm深度,对于不同深度的空鼓检测计数差异明显,具有良好的空间分辨率。2)建立了基于逐行扫描的康普顿背散射衰减校正墙体空鼓图像重建算法。针对传统解析算法忽略射线衰减的问题进行了改进,利用双线性插值法分别结合R-L、S-L、Lewitt三种滤波函数对半径0.25cm和半径0.5cm的空鼓进行图像重建,同时引用“归一化均方距离(d)”来评价重建图像好坏,结果显示结合S-L滤波函数进行图像重建的效果最好,其d值最小,分别为0.3884和0.3704。本文的主要创新点如下:(1)设计了墙体空鼓的检测结构模型,利用蒙特卡罗程序对模型中源容器、阵列探测器、射线入射角度、源容器-探测器相对布局等进行了模拟研究,获得了最优的结构模型参数。(2)建立了基于逐行扫描的康普顿背散射衰减校正墙体空鼓图像重建算法,对传统解析算法忽略入射和出射射线衰减问题进行了改进,并引用“归一化均方距离(d)”来评价重建图像。
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