日本国立研究开发法人理化学研究所（简称，理研）光量子工学研究中心的小林知洋专任研究员、池田裕二郎客座主管研究员、大竹淑惠团队负责人，以及东京科学大学综合研究院零碳能源研究所的池田翔太助教等人组曾的研究团队，开发出了可在现场对桥梁内部劣化进行非破坏检测的可移动小型中子源系统RANS―Ⅲ，并成功产生了中子。该系统大幅实现了小型轻量化，其加速器部分重600千克（既往为5吨），屏蔽部分重2吨（既往为20吨），全长4米（既往为10米），可搭载于拖车上，还通过在抑制质子束能量的同时产生必要的中子，满足了监管标准，使得在现场进行中子非破坏检测成为可能。团队负责人大竹表示：“首先将在能容纳拖车的专用厂房内积累各种实验数据。明年6月左右在土木研究所的铁桥桥梁上，秋季左右在福岛机器人试验场推进室外实证试验。（向原子能规制厅的）变更申请是必要的，虽然取决于手续进度，但希望在下一年度末之前能带到实际作业现场。”

图1 团队负责人大竹淑惠（供图：理化学研究所）

图2 RANS-Ⅱ及RANS-Ⅲ用RFQ直线加速器截面图
RANS-Ⅲ（右）通过将共振频率提高到既往机型RANS-Ⅱ（左）的约2.5倍，使RFQ直线加速器的截面积减小到四分之一，重量减小到三分之一，实现了小型轻量化。（供图：日本理化学研究所）

社会基础设施的老化是一个严重问题。目前，此类基础设施的检查主要通过目视和敲击检测等方式进行，很难准确了解内部的腐蚀和劣化状况。

研究团队此前开发出过理研小型中子源系统的1号机RANS和小型化的RANS-Ⅱ，并使其常时运行，实现了钢板腐蚀的可视化和钢铁材料的奥氏体相分率测量。此外，团队还成功开发了设想在室外使用的新型非破坏可视化方法，即利用快中子散射成像（脉冲中子飞行时间法），通过模拟样品实现了桥梁内部劣化（积水、土砂化、PC灌浆未填充）的可视化以及混凝土内部盐分浓度检测法。

既往的中子成像需要在样品对面设置探测器，而研究团队利用快中子散射成像（ToF法），成功实现了仅从桥梁表面照射中子即可将内部状态可视化。此次开发的ToF法向物质照射能量高、能到达深处的快中子（最高能量700keV），并利用设置在同侧的二维探测器检测散射中子。散射中子携带物质内部的信息，可以将积水状况、空隙的扩展及位置以二维形式可视化。

此外，团队还开发了专用的新型紧凑型加速器系统。该系统由永磁电子回旋共振（ECR）离子源、射频四极场（RFQ）直线加速器、4系统射频输入系统和束流输运系统构成。

在离子源方面，团队通过将钕磁铁配置在等离子体腔室侧面，替代了过去用于产生等离子体的螺线管电磁铁。由此，实现了离子源本体的小型化和省电化。RFQ直线加速器将共振频率提高到了既往机型RANS-Ⅱ约2.5倍的500兆赫兹。结果，截面积减小到约四分之一，重量减小到约三分之一的约700千克，大幅提高了在拖车内安装的便利性。此外，通过采用加速电极与真空容器一体化的三体结构，确保了高刚性，实现了抗振动的稳定运行。

在现场实际使用时，将拖车移动到桥梁现场，在路面上设置二维ToF中子探测器。将可升降悬挂式中子发生靶（含屏蔽）降至路面高度，使其覆盖中子探测器，向桥梁照射脉冲中子。探测器测量路面下桥面板内部散射的中子，提取内部劣化状态的信息并进行可视化。

利用中子进行测量不仅能观察到肉眼看不见的基础设施内部形状变化，还能进行元素分析，因此即使出现同样的裂纹，也能分辨出周围是劣化了还是渗水了。日本各地存在大量老化的基础设施，该技术能为判断优先修缮哪些设施提供依据。

因此，虽然希望在全日本范围内利用中子进行基础设施检查，但目前的法律体系很难进行高效的基础设施检查。这是因为存在“已安装设备”的规定，例如，将RANS-Ⅲ带入现场时，虽然边行驶边测量效率更高，但必须反复进行停下来（安装）后测量。配合技术开发的速度，法律体系也亟待同步修订。

原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部