Мюонная визуализация для изучения вулканов и объектов исторического наследия: подробности технологии

На фото: Вид сверху на крестово-купольный храм на территории крепости Нарын-Кала в Дербенте, Россия, который исследуют при помощи мюонной радиографии. Он может оказаться одной из древнейших христианских церквей не только на территории России, но и во всем мире НУСТ МИСиС. Космические лучи почти повсеместно присутствуют в нашей вселенной, проносясь сквозь пространство со скоростью, практически равной скорости света. Их излучает Солнце, а также взрывы сверхновых звезд в далеких галактиках. Каждую секунду Земля подвергается воздействию этих лучей, состоящих из триллионов субатомных частиц. Когда космические лучи сталкиваются с нашей атмосферой, некоторые из них отражаются магнитным полем планеты, а другие достигают нас на Земле, не причиняя вреда. Когда лучи проходят сквозь атмосферу, они подвергаются ряду реакций, в результате которых образуется «дождь» из новых субатомных частиц, в том числе мюонов.

Мюоны загадочны, потому что некоторые их свойства отклоняются от положений ведущей теории физики частиц, известной как стандартная модель. Тем не менее ученые смогли найти применение этим таинственным частицам — благодаря методу, похожему на обычную радиографию. Мюоны позволяют заглянуть глубоко внутрь крупных объектов, физический доступ к которым проблематичен или невозможен, например, древних зданий, вулканов или даже ядерных реакторов.

«Несмотря на то что мы их не видим, мюоны присутствуют на Земле практически повсюду: они постоянно проходят сквозь нас и окружающие нас объекты под любым углом со скоростью, почти равной скорости света, — говорит Иэн Суэйнсон, ядерный физик из МАГАТЭ. — Они совершенно безвредны для людей, но могут проникать через сотни метров горной породы или камня, являясь универсальным средством для изучения состава и параметров материалов, которые иначе были бы для нас невидимы».

 А. Власов/МАГАТЭКосмические лучи сталкиваются с атмосферой Земли, создавая поток новых частиц, одними из которых являются мюоны А. Власов/МАГАТЭ

«Мюонная визуализация в некотором смысле похожа на рентген или гамма-радиографию, которые используются в медицине для сканирования пациентов и в промышленности для оценки целостности и безопасности различных конструкций и компонентов, — говорит Андреа Джамманко, специализирующийся на частицах физик и один из авторов новой публикации. — Но если эти виды радиографии опираются на мощные искусственные источники излучения, создаваемые ускорителями частиц или радиоактивными источниками, то мюонная радиография использует космические лучи, которые приходят из космоса естественным путем».

Существует два основных типа мюонной визуализации: мюография и томография мюонного рассеивания.

Мюография предполагает размещение под объектом или сбоку от него детектора, улавливающего пропускаемые через него мюоны. Чем плотнее материал, тем больше мюонов будет им поглощено, при этом детектор зафиксирует частицы, которым удается пройти через материю объекта. На полученном изображении пустые пространства, через которые мюоны проходят легко, будут обозначены яркими пятнами, а материалы с более высокой плотностью будут темнее.

В то время как мюография основана на поглощении мюонов материалами, томография мюонного рассеивания фиксирует рассеивание мюонов. К примеру, используя два детектора, расположенные на двух противоположных сторонах автомобиля или грузового контейнера, эксперты могут отследить, как частицы отклоняются от материалов высокой плотности с большим количеством протонов, что позволяет «заглянуть» внутрь без необходимости физического осмотра.

А. Власов/МАГАТЭМюографияА. Власов/МАГАТЭ

С момента первых экспериментов в 1950-х годах мюонная визуализация применяется при анализе структуры разнообразных объектов по всему миру. В настоящее время мюография используется для изучения внутренней части вулкана Везувий вблизи Неаполя. Именно этот вулкан в 79 году н. э. уничтожил древнеримский город Помпеи и несколько других поселений. Для моделирования происходящих внутри Везувия процессов исследователи используют мюонные детекторы. Это имеет первостепенное значение для прогнозирования его потенциальных извержений и их масштабов, а также для разработки мер по снижению рисков для местного населения. С момента своего последнего извержения в 1944 году вулкан бездействует.

Аналогичным образом мюонная визуализация применялась для сканирования древней Городской стены города Сиань в Китае, а также циклона в Японии, Альпийских ледников и ядерного реактора во Франции, находящегося в стадии вывода из эксплуатации.

В следующем году МАГАТЭ планирует провести семинар-практикум «Мюонная томография: от основных принципов к практическому использованию и применениям». Его участники обсудят различные способы применения этого метода в практических целях, свойства используемых детекторов, алгоритм реконструкции мюонных потоков, а также анализ данных и восстановление изображений.

В новой публикации МАГАТЭ подробно изложены основные методы мюонной визуализации и различные типы детекторов. В ней также описывается широкий спектр применений: от изучения современных и древних сооружений, вулканов и промышленных объектов до повышения ядерной безопасности и осуществления гарантий. «Эта публикация представляет собой всеобъемлющий обзор мюонной визуализации, она будет полезна читателям из промышленной сферы, а также научным сотрудникам для более глубокого понимания этой развивающейся области», — отмечает Суэйнсон.

Ранее

Группа ученых предложила практическое применение метода мюонной радиографии для исследования внутренней структуры объектов.

Совместной группой исследователей из ФИАН и НИИЯФ МГУ предложено практическое применение метода мюонной радиографии для исследования внутренней структуры крупных промышленных и природных объектов.

Мюон – удивительная частица. До сих пор неясно, для чего природа его создала, поскольку многие его физические характеристики схожи с аналогичными у электрона, за исключением массы: масса мюона в 207 раз больше массы электрона. Недаром мюон часто называют тяжелым электроном. Благодаря большей массе, пробег и проникающая способность у мюонов в тысячи раз больше, чем у электронов.

Еще одной особенностью потоков мюонов в природе является значительное количество этих частиц. Рождение мюонов происходит во множестве различных процессов, в т.ч. и в процессе взаимодействия первичного космического излучения с атмосферой Земли. Этих мюонов так много, что на поверхность планеты падает 10 000 частиц/(м2·мин).

Благодаря их большой проникающей способности, они могут  проходить значительное количество вещества. Максимальная глубина, где регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, – это около 8600 м водного эквивалента, что соответствует примерно 2 км скального грунта. Регистрация мюонов, прошедших через какие-либо объекты, позволяет получить изображение внутренней структуры этих объектов.

Использование мюонов в качестве просвечивающего пучка любых объектов аналогично  рентгенографии:  пучок проходит через какой-то объект, и, если плотность в той или иной части объекта будет меньше, то, соответственно, там будет регистрироваться большее количество мюонов, чем в других частях объекта. Преимуществами этого метода являются его неинвазивность и использование природного источника излучения. Здесь  отсутствует необходимость в дополнительном искуственном источнике излучения. Метод мюонной радиографии (МР), кроме того, стоит существенно дешевле многих других.

Так, например, в рамках выполнения экологических программ, направленных на снижение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, правительствами некоторых стран ведутся работы по закачке углекислого газа в подземные полости, используемые в качестве резервуаров. Главной проблемой этой технологии является поиск таких полостей. Использование метода сейсмического сканирования земных недр, называемого 4D Seismic Surveying (4SS), для обнаружения полостей, требует установки на громадных морских судах сложной аппаратуры и сейсмического оборудования, что приводит к цене такого исследования порядка 5,5 миллионов фунтов стерлингов. Благодаря использованию мюонной радиографии физикам из Шеффилдского университета удалось кардинально сократить затраты на проведение такой разведки земных недр и произвести сканирование с более высокой точностью и разрешающей способностью, нежели традиционными сейсмологическими методами. Работа финансируется Британским министерством энергетики и климатических изменений (Department of Energy and Climate Change, DECC) и компанией Premier Oil, методику сканирования земных недр методом МР для этих целей проверили в тестовом эксперименте в одной из самых глубоких шахт Великобритании – Boulby» – поясняет руководитель проекта, заведующая Лабораторией элементарных частиц ФИАН Полухина Наталья Геннадьевна.

Залогом успеха экспериментов по мюонной радиографии (МР) является то, что о мюонах – их физические характеристики, параметры угловых распределений и т.п. – за годы научных исследований накопилось достаточно информации. Исторически сложилось так, что первые исследования с применением мюонной радиографии были проведены в археологических изысканиях. Резкое возрастание объема исследований по методике МР в мире в последнее время связано, главным образом, с возможностью использования ядерных фотоэмульсий для работ по МР, обработка которых стала полностью автоматизированной благодаря созданию новых высокотехнологичных автоматизированных сканирующих систем. Группа из ФИАН и НИИЯФ МГУ тоже использует для МР именно ядерные фотоэмульсионные детекторы производства компании «Славич», обладающие целым рядом неоспоримых достоинств.

Прежде всего, ядерные фотоэмульсионные (ЯФЭ) детекторы обладают высоким пространственным разрешением – 1 мкм, которое пока не может достигнуть ни один из современных детекторов. Такое пространственное разрешение позволяет восстанавливать «картинку» – структуру исследуемого объекта – с очень высокой степенью точности. К тому же ЯФЭ-детекторы информационно очень емкие, легко транспортируются, просты в обращении, не требуют дополнительного энергоснабжения, электронных считывающих устройств и дежурства оператора во время набора статистики. Используемые в настоящее время ЯФЭ-детекторы представляют собой чаще всего набор пластин площадью 10 × 12 см, т.е. величиной с ладонь. Детектор из нескольких таких пластин ЯФЭ (суммарной толщиной до 0.5 см) по угловому разрешению превосходит электронный телескоп с базой ≥ 1 м, а стоимость одной такой пластины не превышает тысячи рублей. Благодаря сочетанию таких свойств в настоящее время проводятся весьма успешные эксперименты по развитию и использованию методов МР на основе ЯФЭ в геологоразведке, промышленности, вулканологии  и др. областях.

Группа ФИАН-НИИЯФ провела целый ряд экспериментов по внедрению методов МР-сканирования. В первых тестовых экспериментах целью было подобрать наиболее оптимальные условия экспозиции ЯФЭ-детекторов для различных глубин их закладки и параметры «сборок» из ЯФЭ-пластин, отладить программное обеспечение для восстановления пространственной структуры исследуемых объектов и многое другое. В 2012 и 2013 гг. были осуществлены тестовые измерения на двух крупных (23 т и 40 т) металлических конструкциях, а недавно завершился «натурный» эксперимент. В качестве такого натурного объекта исследовательской группе ФИАН-НИИЯФ МГУ было предложено сканирование сейсмографической шахты Геофизической службы РАН (г. Обнинск) глубиной около 30 метров. Результаты четырехмесячного эксперимента с ЯФЭ-детекторами: измерена разность потоков мюонов на поверхности и на глубине 30 метров, согласующаяся с результатами модельных расчетов; «обнаружены» конструктивные особенности шахты, в том числе – наличие лифтового «колодца» и специфика  расположения шахты в толще грунта – наличие различных по плотности слоев (земля и мраморовидный известняк). Этот успешный опыт еще раз подтвердил состоятельность предлагаемой методики МР-сканирования.

В настоящее время российские исследователи ведут переговоры об использовании метода МР для исследования промышленных объектов в различных регионах России. В частности, для мониторинга состояния соляных шахт месторождений, разрабатываемых в г. Соликамске и г. Березняки Пермского края. Поскольку ЯФЭ-детекторы позволяют отслеживать уплотнения и места разрежений в грунте, подобный мониторинг позволит предупредить различные техногенные катастрофы.

Вопрос поиска и разработки полезных ископаемых имеет важное стратегическое значение, и тут вряд ли возможно какое-то привлечение иностранных технологий. В России технология МР есть, и надо браться за ее применение, за внедрение результатов, полученных в ходе фундаментальных исследований, в прикладные работы.

Например, для поиска тех же углеводородов: совсем не одно и то же – пробурить несколько десятков скважин или только одну и, с помощью ЯФЭ-детектора, заложенного в нее, просмотреть тот же объем земной поверхности. Кроме того, при бурении скважин бывает, что углеводородный слой «проскочили», забив его песком, а вот МР-сканирование покажет его наличие.

Очевидно, что применение метода МР для исследования крупных промышленных и природных объектов для нашей страны должно иметь большое значение. Мы надеемся, что этот метод найдет широкое применение,» – отметила в заключение Наталья Геннадьевна.

Источники: https://www.atomic-energy.ru/, http://science.spb.ru/