日本國立研究開發法人理化學研究所（簡稱，理研）光量子工學研究中心的小林知洋專任研究員、池田裕二郎客座主管研究員、大竹淑惠團隊負責人，以及東京科學大學綜合研究院零碳能源研究所的池田翔太助教等人組曾的研究團隊，開發出了可在現場對橋樑內部劣化進行非破壞檢測的可移動小型中子源系統RANS―Ⅲ，並成功產生了中子。該系統大幅實現了小型輕量化，其加速器部分重600公斤（既往為5噸），屏蔽部分重2噸（既往為20噸），全長4米（既往為10米），可搭載於拖車上，還通過在抑制質子束能量的同時產生必要的中子，滿足了監管標準，使得在現場進行中子非破壞檢測成為可能。團隊負責人大竹表示：「首先將在能容納拖車的專用廠房內積累各種實驗數據。明年6月左右在土木研究所的鐵橋橋樑上，秋季左右在福島機器人試驗場推進室外實證試驗。（向原子能規制廳的）變更申請是必要的，雖然取決於手續進度，但希望在下一年度末之前能帶到實際作業現場。」

圖1 團隊負責人大竹淑惠（供圖：理化學研究所）

圖2 RANS-Ⅱ及RANS-Ⅲ用RFQ直線加速器截面圖
RANS-Ⅲ（右）通過將共振頻率提高到既往機型RANS-Ⅱ（左）的約2.5倍，使RFQ直線加速器的截面積減小到四分之一，重量減小到三分之一，實現了小型輕量化。（供圖：日本理化學研究所）

社會基礎設施的老化是一個嚴重問題。目前，此類基礎設施的檢查主要通過目視和敲擊檢測等方式進行，很難準確瞭解內部的腐蝕和劣化狀況。

研究團隊此前開發出過理研小型中子源系統的1號機RANS和小型化的RANS-Ⅱ，並使其常時運行，實現了鋼板腐蝕的視覺化和鋼鐵材料的沃斯田體相分率測量。此外，團隊還成功開發了設想在室外使用的新型非破壞視覺化方法，即利用快中子散射成像（脈衝中子飛行時間法），通過模擬樣品實現了橋樑內部劣化（積水、土砂化、PC灌漿未填充）的視覺化以及混凝土內部鹽分濃度檢測法。

既往的中子成像需要在樣品對面設置探測器，而研究團隊利用快中子散射成像（ToF法），成功實現了僅從橋樑表面照射中子即可將內部狀態視覺化。此次開發的ToF法向物質照射能量高、能到達深處的高速中子（最高能量700keV），並利用設置在同側的二維探測器檢測散射中子。散射中子攜帶物質內部的資訊，可以將積水狀況、空隙的擴展及位置以二維形式視覺化。

此外，團隊還開發了專用的新型緊湊型加速器系統。該系統由永磁電子迴旋共振（ECR）離子源、射頻四極場（RFQ）直線加速器、4系統射頻輸入系統和束流輸運系統構成。

在離子源方面，團隊通過將釹磁鐵配置在電漿腔室側面，替代了過去用於產生電漿的螺線管電磁鐵。由此，實現了離子源本體的小型化和省電化。RFQ直線加速器將共振頻率提高到了既往機型RANS-Ⅱ約2.5倍的500兆赫茲。結果，截面積減小到約四分之一，重量減小到約三分之一的約700公斤，大幅提高了在拖車內安裝的便利性。此外，通過採用加速電極與真空容器一體化的三體結構，確保了高剛性，實現了抗振動的穩定運行。

在現場實際使用時，將拖車移動到橋樑現場，在路面上設置二維ToF中子探測器。將可升降懸掛式中子發生靶（含屏蔽）降至路面高度，使其覆蓋中子探測器，向橋樑照射脈衝中子。探測器測量路面下橋面板內部散射的中子，提取內部劣化狀態的資訊並進行視覺化。

利用中子進行測量不僅能觀察到肉眼看不見的基礎設施內部形狀變化，還能進行元素分析，因此即使出現同樣的裂紋，也能分辨出周圍是劣化了還是滲水了。日本各地存在大量老化的基礎設施，該技術能為判斷優先修繕哪些設施提供依據。

因此，雖然希望在全日本範圍內利用中子進行基礎設施檢查，但目前的法律體系很難進行高效的基礎設施檢查。這是因為存在「已安裝設備」的規定，例如，將RANS-Ⅲ帶入現場時，雖然邊行駛邊測量效率更高，但必須反復進行停下來（安裝）後測量。配合技術開發的速度，法律體系也亟待同步修訂。

原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部