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你用光子给自己“美图” 科学家用缪子“透视”庞然大物

来源:科技日报    发布日期:2018-06-21

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缪子探测技术在埃及金字塔曾获重大发现。视觉中国

    生活中的拍照更完整的说法或许是:让光子的轨迹投射出人或美景的影像。不止光子,利用电子、正电子、质子等各种粒子的成像技术是人们“定格”的常用方法,经常被用来反应微观、宏观、致密、疏松等不同特点的世界。


    《自然》网站最近登载了一种全新的粒子成像方法。这篇题为《鲜为人知粒子探测致密物质》的报道,介绍了借用缪子的探测方法,这与拍照借用光子成像类似。科学家们利用缪子给埃及金字塔、核废料等之前难以探明内里的物体“摸骨”,可以做到入木三分、直击致密材质的深层。


    “和其他粒子比较起来,缪子的穿透能力很强,可以穿透上千米的岩石,因此可以对体积大的、难以穿透的东西成像,而电子、光子等粒子是不可能穿透这些物质的。”中国科学院高能物理研究所研究员曹俊解释。去年11月,《自然》网站就报道了科学家们利用缪子探测技术在最大的埃及金字塔胡夫金字塔中发现此前未知的巨大空室。此外,缪子还可以用在火山内部、废弃核电厂的内部构造等探测上。


    可从自然界信手拈来,也能用加速器产生


    “缪子比较重,产生起来比较困难,放射性衰变、核裂变、核聚变都无法产生缪子。”曹俊说,缪子不像电子、光子那样容易产生,人造缪子需要重大装备才能产生。


    自然界天然存在缪子,是由宇宙射线与大气分子相撞产生的。宇宙中充斥着高能宇宙射线,它们抵达地球外层大气时会与大气分子发生碰撞,生成派介子,派介子再衰变成缪子和中微子。“地球表面每平方米的范围内每秒会落下200个宇宙线缪子。”曹俊说。


    缪子性质和电子相似,带电荷,但质量是电子的两百倍。因为质量大、惯性大,它在物质中不容易转向,因此辐射造成的能量损失比电子小,穿透比电子深得多。此外,由高速碰撞产生的缪子本身也带着巨大的动能,以高速冲向地面。高速度、高质量使得缪子拥有“高段位”的“穿墙术”,可穿透几公里的致密地层。


    四川锦屏地下实验室是目前世界上最深的地下实验室,其岩层厚度约2700米,在那里仍然可以探测到来自宇宙射线的缪子。


    “缪子也可以用加速器产生,将质子在巨大的加速器中加速,轰击靶标,产生缪子。”曹俊介绍,但这样的加速器更像是基础建设设施,而不是可移动的设备,并且非常庞大和昂贵。


    例如今年在东莞建设成功的散裂中子源,也是通过质子加速器产生中子的。“质子加速器同样可以用于产生缪子,所以我们很快将会在东莞建立一个试验用的缪子源。”曹俊说。


    “目前只有固定加速器能产生缪子,因此还不具备应用于探测设备上的条件。”曹俊解释,未来如果能够把质子加速器小型化,使其可移动,才有可能制造出类似于CT(电子计算机断层扫描)设备对山或大型建筑成像。“目前也有人在进行质子加速器小型化的研究工作,例如可以装在卡车上的超导回旋加速器,但还处于研究初级阶段,短时间内较难实现。”


    在《自然》的报道中,对岩石、矿藏、火山、金字塔等进行扫描所利用的缪子,就是从自然界“信手拈来”的,也是最方便的。


    追踪印迹不需去噪,“成像术”自动化难


    利用粒子成像的设备均可粗略概括为“三段论”:即粒子的产生器件、粒子与成像物体的相互作用以及粒子的示踪。除此之外,对所有粒子示踪信号的分析和再现则是非常关键的软件部分。


    在这样的架构下,无处不在的宇宙线缪子使得粒子产生不是设备中必需的,如何探测缪子成为研究重点。对缪子成像设备与系统的研究自1955年首个缪子测量之后从未停止。


    “当缪子经过物质时,不同密度的物质对缪子的吸收能力不同,最终达到探测器的缪子数量就不同,通过不同方向测到的缪子数量,可以反推缪子走过的路是怎么样的。”曹俊解释缪子成像原理认为,就好像一路全速前进的特种兵,在翻阅沟壑、趟过密林、顺流而下的不同行进路线之后,状态也是不一样的。


    好在缪子属于“重型装甲兵”,可以穿过很多层探测器,其主要的能量损失方式是电离,而不是像光子那样整个消失。因此可以把缪子穿过每层探测器时留下的脚印串起来,看到清楚的径迹,基本不需要去噪技术。


    缪子的探测分为两个过程:首先是粒子鉴别,即把缪子与其他粒子区别开来;然后是获得缪子的具体参数,比如能量与方向等。


    “探测缪子一般用粒子物理探测器,有很多种类。报道中提到的金字塔考古工作同时使用了核乳胶、塑料闪烁体、气体微结构等三种技术。”曹俊解释,此外还有阻性板探测器等常用技术。


    所用探测材质都会通过光、电等效应记录下粒子的印迹。例如,核乳胶是在乳胶中分布了溴化银等显影物质,带电粒子穿过核乳胶层时,使得显影物质发生电离等化学变化,通过显影定影后,可根据影像追踪粒子的径迹,再进行测量。这一“成像术”更像胶片相机,不能即时得到测量结果,难于实现自动化。


    塑料闪烁体则是一种吸收高能粒子或射线后能够发光的材料,通过光电信号转换后,可得到电信号,进而实现自动化计算,并有通过后续算法三维重建、可视化等潜力。


    走向实际应用,还需“命题作文”


    “缪子成像在技术原理上并没有太多需要研究的地方,更多地是如何让它在应用时更方便。”曹俊说。缪子性质、探测方法、成像方法等相关通用性原理已经相对较清楚,但针对某一特定问题如何更准确地探测,并建立行之有效的分析算法,才能够在工作中实践。


    由于缪子与高原子序数的核相互作用明显,很容易用于识别较重的燃料核素,因此,将缪子成像技术用在核反应堆的监测上或者核走私的探查上,都能够实现安全无损的检测。相关研究论文显示,如果缪子成像系统运用于工业集装箱检测,探测器的面积最好大于1平方米。在这样的要求下,阻性板探测器优势更加明显。


    “最近我们在大亚湾中微子实验室把一块块的探测器重新组合,从平面转为立体,每个面放了三层阻性板,每层里面其实还由四层组成。”曹俊解释,虽然这样做的目的是为了探测宇宙线缪子,但是在实际应用中也可以对集装箱或者山成像。


    每层阻性板之间将加上7600伏特的电压,缪子穿过物质时会使物质电离,但电离作用太小,人是感觉不到的。阻性板加上高压后,一有电离就会形成打火,产生可以记录下来的电信号。曹俊解释:“立方体构造的探测装置,可以测量各个方向来的缪子。多层设计是为了让缪子在穿透每层探测器时都留下一个点,大大提高测量精确度。”


    在针对实际问题的研究工作中,缪子成像方法和关键技术的条件与操作还需要进行具体问题具体分析式的“命题作文”。例如在回答能否利用缪子地质断层成像探明矿区详细的矿石储量与分布的问题时,在给出肯定回答的同时,还需要通过实验确定采用哪种探测器成本更低廉、哪种分析方法更高效等具体的细节问题。


编辑:林观夏
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