The purpose of this study is to develop a non-contact air-coupled NDT method to identify and characterize surface-breaking cracks in concrete structures using surface wave transmission measurements. It has been found that the surface wave transmission (SWT) across a surface-breaking crack is related to the crack depth. However, inconsistence was noticed in surface wave transmission measurements. In this dissertation, the author first summarized limitations of the current SWT method for application to concrete structures, which include inconsistent sensor coupling, near-field effect of sensors, effects of crack width, external loading effect on surface wave transmission coefficient, and lack of a repeatable source. In this dissertation, the author attempts to find solutions to the aforementioned problems. First, non-contact air-coupled sensors were applied to the SWT method to reduce experimental errors caused by inconsistent coupling condition of conventional contact sensors. Air-coupled sensing enables reliable and consistent results, and significantly improves test-speed. Results from laboratory and field tests demonstrate effectiveness of air-coupled sensors. Second, appropriate sensor-to-source configurations are proposed to reduce undesirable effects: (i) the near-field effect of sensors around a crack, and (ii) contribution of multiple modes in a plate-like structure with a finite thickness. Near-scattering of surface waves interacting with a surface-breaking crack was investigated using numerical simulations (finite element method) and experimental studies over a wide range of the normalized crack depth (h/λ: crack depth normalized by wavelength of surface waves) and the normalized frequency-thickness ratio (f-H/CR: frequency-thick normalized by Rayleigh wave speed). Third, effects of external loadings on transmission coefficient of surface waves in concrete were investigated through a series of experimental studies. In the research, variation of the transmission coefficient is presented as a function of crack mouth opening displacement (CMOD). This provides a guideline on minimum CMOD to which the SWT method can be reasonably applied. In addition, the author experimentally demonstrates that using low-cost piezoceramic sensors is effective in generating consistent stress waves in concrete. Finally, the author demonstrates that the air-coupled SWT method developed in this study is effective for in-situ estimates of a surface-breaking crack in large concrete structures. / text

Viele Festkörperdosimetriesonden haben eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung. Jedoch zeigt ihr Messsignal Quench-Effekte beim Einsatz in Protonenstrahlungsfeldern mit hohem linearen Energietransfer (LET). Ohne eine Korrektur dieses verminderten Messeffekts würde dies zu einer Unterschätzung der Dosis führen. In dieser Arbeit wurde ein Messsystem entwickelt, das auf einem an eine Lichtleitfaser gekoppelten sensitiven Volumen aus Berylliumoxid basiert, dessen Lumineszenzlicht während der Messung spektral geteilt wird. Dadurch entsteht eine zusätzliche Information, die eine Aussage über die Restreichweite und somit über den LET von Protonen am Messort ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass das Signalverhältnis der beiden spektralen Anteile stark mit der Restreichweite von initial monoenergetischen Protonen korreliert. Auf dieser Basis wurde eine Korrekturfunktion implementiert, welche die Dosisunterschätzung für Protonen mit Anfangsenergien kleiner als 145 MeV gut ausgleicht. Eine beobachtete Abhängigkeit der Signalverhältnisbasierten Dosiskorrektur von der initialen Protonenenergie führt jedoch dazu, dass die Korrektur für initial höherenergetische Protonen bei hohem LET weiterhin eine unterschätzte Dosis liefert.:1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen zur Dosimetrie in Photonen- und Protonenfeldern 2.1 Strahlungsfeldgrößen 2.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Materie 2.3 Wechselwirkungen geladener Teilchen mit Materie 2.4 Wichtige Größen der Dosimetrie und dosimetrische Konzepte 2.5 BeO-basierte Faser-Dosimetriesonden 3 Material und Methoden 3.1 Verwendetes Messsystem 3.2 Dosis-Kalibrierung des Messsystems im Photonen-Referenzfeld 3.3 Messungen im Protonenfeld an der UPTD 3.4 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 3.5 Verifikation 4 Ergebnisse 4.1 Dosis-Kalibrierung im Photonen-Referenzfeld 4.2 Messungen im Protonenfeld 4.3 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 4.4 Verifikation 5 Diskussion 6 Zusammenfassung / Many solid dosemeters offer high spatial and temporal resolution. However, a common problem is their quenching in regions of high linear energy transfer (LET) during measurements in proton beams. This leads to reduced measurement signal, and thus, to dose underestimation. Hence, a dose correction is necessary. In this work a dosimetric system was developed which is based on a fiber coupled sensitive volume of beryllium oxide. Its radioluminescence signal is split into two spectral parts during measurement. Thereby one can obtain additional information that enables access to the values of residual range and LET of proton beams at the point of measurement. It could be shown that there exists a strong correlation between the signal ratio of both spectral parts of luminescence and the residual range of monoenergetic proton beams. Based on this, a correction function was implemented which allows for the adjustment of dose underestimation for measurements in proton beams of initial energies less than 145 MeV. Nevertheless, the signal ratio based correction function was observed to be dependent on the initial proton beam energy. Hence, the underestimation of the dose remains in the case of higher initial proton energies in regions of high LET.:1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen zur Dosimetrie in Photonen- und Protonenfeldern 2.1 Strahlungsfeldgrößen 2.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Materie 2.3 Wechselwirkungen geladener Teilchen mit Materie 2.4 Wichtige Größen der Dosimetrie und dosimetrische Konzepte 2.5 BeO-basierte Faser-Dosimetriesonden 3 Material und Methoden 3.1 Verwendetes Messsystem 3.2 Dosis-Kalibrierung des Messsystems im Photonen-Referenzfeld 3.3 Messungen im Protonenfeld an der UPTD 3.4 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 3.5 Verifikation 4 Ergebnisse 4.1 Dosis-Kalibrierung im Photonen-Referenzfeld 4.2 Messungen im Protonenfeld 4.3 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 4.4 Verifikation 5 Diskussion 6 Zusammenfassung