为建筑物提供宇宙CT扫描

一项新的研究表明,自然轰击地球的亚原子粒子可用于制作工业设备的3D图像,类似于用X射线进行的医学CT扫描。 该技术可以揭示管道的腐蚀或混凝土厚层内的降解。 科学家表示,即使在设备投入使用的情况下,即使它位于严重屏蔽的核反应堆深处,也可以对埋藏,包裹在绝缘层或其他方式无法进入的管道和阀门进行例行检查。

使这种探针成为可能的粒子是μ子,更重的短寿命电子。 在地球上,当宇宙射线 - 通常来自我们太阳系外部的高能亚原子粒子 - 撞击大气层时,大多数μ子形成,触发一系列低能粒子。 μ子携带与电子相同的负电荷,但质量是207倍,在衰变成电子和称为中微子的粒子之前仅持续几微秒。 平均每分钟大约有一μ万通过每平方厘米的地球表面。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的核物理学家,该研究的主要作者马特达勒姆说,由于μ子很大但与其他材料的相互作用不太强,它们可以穿透数百米的岩石和土壤。 相比之下,较轻的电子几乎立即停留在材料中,较重的质子和原子核与它们相互作用的强烈,以至于它们会分解成颗粒的阵雨。 Muons的穿透能力使它们成为窥视物体的理想选择。 μ子通过的材料越密集,它们就越分散并偏离其原始路径。

在这项研究中,研究人员将μ子探测器放置在他们希望成像的物体的每一侧。 然后他们在通过一组探测器,然后是物体,最后是第二组探测器时跟踪μ子的路径。 通过绘制μ子的“之前”和“之后”轨迹,研究人员可以确定其路径被偏转的程度。 达勒姆说,通过分析通过物体不同部分的许多μ子的偏转, 。 该技术是传统医学X射线之间的混合体,其使用材料阻挡X射线的能力直接制作质量分布的2D图像,以及X射线衍射,其仅使用角度来探测3D结构水晶 达勒姆及其同事今天在AIP Advances网上描述了他们的成像技术,称为μ子断层扫描。

“这是一种光滑的技术,”德克萨斯州达拉斯南方卫理公会大学的物理学家Cas Milner说,他没有参与这项研究。 他指出,除了使用不会使工人接触其他辐射源的背景辐射外,该技术还是非侵入性的:研究人员甚至不必关闭设备,剥离管道绝缘,或进入可能危险的环境。

然而,该技术的一个可能的缺点是创建图像需要很长时间。 该团队的测试显示,不锈钢管的幽灵,低分辨率图像可以在15分钟内建成,但是为了创造一个高质量的物体模型可能需要数小时,如果不是几天,达勒姆说。 因此,muon断层扫描可能最适合持续进行常规检查或监测设备,而不是对灾难性故障进行快速评估,他指出。

该技术是2001年9月11日恐怖袭击之后在洛斯阿拉莫斯开发的一种较小规模的技术,用于在集装箱或车辆中搜寻核材料或其他违禁品。 加利福尼亚州Poway的Decision Sciences International Corporation的物理学家康斯坦丁·博罗兹丁说,这项技术已经商业化,目前正在某些港口使用。

Borozdin的公司正在努力扩大μ子层析成像技术,以便在更大的领域寻找核材料 - 2011年3月地震和海啸摧毁的核反应堆摧毁了日本福岛县。为此, Borozdin说,每一组μ子探测器的尺寸都是7米乘7米,它们将被放置在破坏的反应堆建筑的两侧,相距约50米。 米尔纳说:“当你看到试图确定像核反应堆这样的屏蔽物体内部结构的问题时,这项技术肯定有希望。”