宇宙线μ子探测技术在地球物理学中的应用

作者:文博论文查重     发表时间:2021-04-27 22:21:19   浏览次数:34


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  摘要本文详细介绍了宇宙线μ子探测的物理学背景及测量方法,综述了该技术在火山学、考古学和核材料安全检测等领域的应用,重点介绍了2006年日本Msama火山宇宙线μ子探测的仪器方法和应用经验,分析了我国地球物理领域对宇宙线μ子探测技术的应用需求,提出了未来该技术在中国的应用研究方向和设想。

  关键词宇宙线;μ子探测;衰变;密度流函数;地球物理勘查

  0引言

  宇宙线μ子(μ介子)探测技术是利用来自宇宙的高能粒子-μ子穿过被测物体后数量减少的规律来反演计算物体内部的密度变化情况,据此推断物体内部的信息。

  1936年C.Anderson在宇宙射线中发现一种未知粒子-μ子[1],开启了现代物理学的弱相互作用研究[1]。1962年L.W.Alvarez尝试μ子探测技术扫描金字塔[2],是人类首次将这一技术运用到地球物理考古勘查领域。此后,这一技术不断应用到多个领域[3],但由于探测技术的局限和野外观测条件的限制,应用实例大多限于考古学、火山学。近年来,随着探测技术的快速发展,这两个领域最新的应用研究取得不俗的成果[4-6],也逐渐引人注目。本文对该技术的理论背景、已应用领域进行介绍,并分析了该技术在我国地球物理基础研究和工程地球物理方面的应用前景,提出未来相应的研究方向和展望。

  1μ子探测的技术背景

  1.1μ子的来源

  宇宙中恒星异常活动、超新星爆发等天体事件产生海量的高能粒子[7],到达地球大气层上界的高能粒子主要成分是高速运动的质子,当其撞击大气层中的氮气和氧气原子核时,会产生大量级联粒子,主要是π介子和K介子,它们是地表μ子的两个主要来源(见图1)。在极短时间内,带电π介子就会衰变为相对稳定的带电μ子和中微子[8],一部分带电K介子和少部分中性K介子衰变为带电π介子,进而衰变产生带电μ介子,还有极少部分中性K介子直接衰变产生μ介子。

  1.2μ子探测的理论基础

  (1)不考虑衰变的地表μ子密度分布μ子静质量(105.7MeV/c2)约为电子质量的207倍[9],分带正负电荷两种粒子,自旋1/2,属非对称交换粒子。

  (2)μ子的衰变规律μ子的平均寿命τ为2.2μs(静止坐标系),在自然界迄今为止所发现的不稳定粒子中,μ子是除中子外平均寿命最长的粒子。

  1.3μ子探测技术方案

  常见的μ子探测技术方案有三种:核乳胶、闪烁计数器、气体探测器。当前主流的μ子探测技术方案是闪烁计数器,该技术具有分辨时间短、效率高的特点,还可根据电信号的大小测定粒子的能量。

  闪烁体分成有机闪烁体、无机闪烁体和气体闪烁体等三种。其中,无机闪烁体,常见的有铊(Tl)激活的碘化铯Cs(Tl)晶体、LSO晶体和掺Gd闪烁玻等,主要用在对探测精度和效率要求很高的高能物理实验中。有机闪烁体主要是塑料、液体,发光效率高,光衰减时间短。气体闪烁体包括氙、氢等惰性气体,发光效率不高,但光衰减时间较短。

  目前野外用的μ子探测系统,正在重点发展新型高效的固体闪烁体,并研究与各种光电器件(雪崩光二极管、CCD、EBCCD等)结合的探测器,以提高阵列的空间与能量分辨。同时,重点发展低噪声前端放大电路,多通道模数模转换,高性能时间一数字转换等适合地球物理探测场景的专用集成电路。

  2μ子探测技术已有应用领域

  2.1埃及胡夫金字塔未知洞室探测

  1962年,L.W.Alvarez将μ子探测技术用于发现埃及胡夫金字塔中未知洞室,这是该技术运用到物理学实验室之外的最早记录。由于早期技术的限制,虽然未实现目标,但对已有洞室的探测验证了该技术的可行性。2017年9月,在对探测技术进行了许多改进之后,该技术的探测精度大大提高,在胡夫金字塔底部通道上对塔中上部进行扫描,终于发现了胡夫金字塔内中上部的未知洞室(见图2)[10-11]。

  2.2原苏联重点工程的地基勘察

  1970年代,原苏联最大的射电望远镜“拉丹-600”建设工程的地基勘察中[3],设备对地基的垂直和水平形变非常敏感,采用孔中μ子法获得了潜水面以下岩土体原位密度分布,根据检查测量数据,该方法获得的密度总精度为±4.1%,成果还包括了测量本身的精度估算、密度随深度和时间的变化等。

  2.3美国集装箱核材料探测

  美国决策科学公司(DSC)与洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)合作研制了μ子探测扫描系统“守护者MT”[14],用于探测车辆和集装箱内隐藏的核材料,它能在X射线探测器无法工作的环境中运用。国内清华大学、西北核技术研究所等单位在跟踪研究相关技术[15-16]。

  2.4日本、法国火山探测

  日本东京大学、名古屋大学和日本理化研究所共同开展的宇宙线μ子火山成像技术,研究了2006年和2009年Msama火山局部喷发前后的火山口地层结构和火山内部岩浆通道的变化[17-18],取得较高精度的山体内部地层密度剖面。法国的IPGParis、IPNLyon和GeosciencesRennes组成的研究小组(DIAPHANE)运用该技术研究了加勒比地区瓜德罗普的LaSoufrier火山[19],法国的另一个研究小组(TOMUVOL)研究了法国克莱蒙朗德的PuydeDome火山[20]。下面就日本科学家首次运用μ子火山成像的实例介绍该技术的设备和现场观测布置。

  (1)探测设备的核心装置

  2006年日本东京大学地震研究所的H.K.Tanaka等人构建了一套室外用的μ子探测成像系统,完成了日本著名火山Msama的μ子层析成像剖面。室外探测系统既要保证设备的便携性、可用性和可靠性,又要实现适中的空间和时间分辨率。

  该系统的核心装置是核乳胶式(ECC)的探测板(如图3),乳胶实际上是一种相机底片,表面涂有一层厚厚的AgBr微晶体,厚度整个底片的31%,高能带电粒子直接将晶体中Ag+还原成Ag原子,由此在底片上留下灰色印记,这就是带电粒子的三维形迹。为减少底片暴露在空气中的氧化作用,底片放置在抽成真空的铝泡沫板中,由于硅质火成岩中有放射性元素(比如钾-40),其衰变会产生干扰探测的放射性粒子,因此底片前面加了一层3mm厚的钢板(如图3),这个厚度可将1.3MeV以下的由钾-40衰变出来的β射线及电子完全屏蔽。空间中μ子各个方向都有,为了准确记录探测器前方穿过山体的μ子事件,就要将后方的μ子事件也记录下来,因此,要再增加一组核乳胶底片(如图3),底片周围有16个CCD光电探测器将三维粒子形迹记录并转换为电信号传输到计算机中,在Super-UTS粒子探测记录软件中存储下来。探测器的效率为50%~100%,单个传感器的有效探测面积为720cm2。

  由于宇宙线中性介子衰变出来的高能电子是探测器重要的背景噪音,利用电子在岩土体中衰减快而μ子可以大量通过岩石的特点,将ECC放置在50米岩层之下的2m×2m洞室内,可以大大减少高能电子产生的μ子传感器噪声。

  (3)探测成果介绍

  图5下是本次火山探测形成的密度等值线图,该图中部的虚线以上为火山最近一次喷发新形成的岩层。探测形成的密度剖面垂直深度50~500m,角分辨率30mrad(约1.7°),相当于在1km的探测距离上最小空间分辨率30m,观测时间大约2个月,而且时间越长,捕捉到的带着地层信息的μ子越多,分辨率就越高。

  日本研究小组最新的设备参数为:直径1m2的μ子探测系统,对于普通密度的岩石,探测山体厚度500m和1000m,分别需要一星期和一个月的观测能达到对10%密度异常的分辨率[18]。

  3我国地球物理勘查的需求及研究展望

  3.1探测技术的优缺点

  根据前述μ子探测技术已应用领域的情况来看,该技术已作为地球物理探测技术成功用于火山地质学和考古学,工程勘查应用较少,但也有先例。目前μ子探测技术已更新换代,便携性大大提高,用于环境更加苛刻的野外勘查完全有可能。更重要的是,作为物探新技术,该技术具备其他物探技术不具备的独特优势,诚然,受技术原理、地形、探测信号的原始来源等诸多因素的限制,也有一些先天缺陷,更需要通过技术研发弥补完善。

  相关期刊推荐:《地球物理学进展》(双月刊)1986年创刊,本刊是中国科学院主管,中国科学院地质与地球物理研究所和中国地球物理学会共同主办的地球物理学及相关领域的综合性学术刊物,国内外公开发行。主要报道国内外地球物理学研究的最新进展和成果,探讨地球物理学的发展战略,评价地球物理学科的现状和发展趋势。

  根据日本和法国科学家完成的火山μ子密度成像实例,该探测技术有下面四个优点。一是探测设备不用到山顶,布置在山体中下部,甚至山脚下;二是探测不需布线,观测形式相对简单,较轻便;三是用于探测的信号-μ子不用人工合成,天然来源;四是单点多次观测可基本获得一个整个山体密度剖面,因此,该技术适合中低山区的地球物理勘查,特别是对于深切割山体,地下工程的开口段地形陡峭,常规物探技术都不太适用,钻探难度也很大,该技术可以解决这一难题。

  然而,μ子探测技术还有以下三个缺点:一是探测粒子受大气环境影响明显,精细的观测需附属简易的大气活动监测站;二是探测精度、深度与探测时长大体反相关,提高仪器的精度和噪音水平可降低探测时长;三是受毗连山体影响较大,当被测山体的高度与周围山体相当或较低时,会出现μ子在穿过被测山体前已经先穿过毗邻山体的情形,反演计算时要考虑μ子在毗邻山体中的减少,此时需在被测山体背面μ子的路径上增加一组观测装置。

  3.2我国地球物理勘查的需求

  (1)西部山区大型地下工程勘查

  我国西部大型地下工程日益增多,例如雅鲁藏布江上游大型水利工程、川藏铁路等,大都位于地形地质条件极其复杂的喜马拉雅山脉、横断山脉和昆仑山脉腹地,多以深切割中高山地貌为主,上山难度极大,常规的物探勘察成本高,受地形影响大,采用μ子探测技术可在山脚沟谷中、水平探洞内或者水平钻孔内布置μ子探测器,经过一定时间的观测积累,就能在一定程度上获得山体中上部密度分布,进而解释山体内断层破裂带、含水带和软硬岩分界面等不良地质体分布,与工程地质调查和其他物探手段配合,减少上山工作量,提高勘察精度和效率。因此,我国工程勘察领域对宇宙线μ子探测技术的需求很是非常大,也非常紧迫。

  (2)火山地质、山区活动断层探测的地球物理研究

  我国境内分布着一些活火山,东北、云南和新疆等地,存在火山喷发和火山地震的隐患;青藏高原东缘至横断山脉是中国大陆地震极其活跃的地区,地形复杂,难以接近,很多发育在山区的活动断层还没有充分地研究。利用现有钻孔或者专门设计的钻孔,布设阵列μ子传感器,进过一定时间的叠加观测和数据累计,可以利用观测数据对研究目标体火山机构和活动断层进行三维密度成像,是这些领域新的较为方便的技术手段。

  (3)重点文物的地球物理无损探测

  由于年代久远,敦煌石窟、龙游石窟、乐山大佛、故宫等重点文物内部存在着潜在的损伤,而现有绝大多数的探测方法设备对文物都有一定程度的损害或只能探测表面,在已知结构的情况下,利用μ子探测技术可在结构下部或旁侧进行静态连续观测,获得内部损伤导致的密度异常分布,真正实现对重点文物的无损探测。随着μ子传感器的小型化和阵列化,文物内部结构μ子探测成像会变的可实现和广泛应用。

  3.3未来我国地球物理领域在μ子探测技术方面的研究展望

  鉴于以上讨论,μ子探测技术在我国有很多地球物理科学研究和工程地球物理探测方面的需求,因此,在μ子探测研究领域还有很多探索性研究工作需要开展。

  (1)μ子探测装备的研发

  首先,跟上日本和法国的步伐,开展野外小型μ子探测技术验证性装置的研发;同时开展对现有μ子探测器小型化的研究,梳理并改良μ子探测技术方案(核乳胶、塑胶闪烁计数器、气体探测器),选择并研发合理的适合野外观测的方案;此外,加强μ子探测器的噪音监视技术研究,提高探测器的精度。

  (2)探测方法和反演软件的研发

  利用国内单位在μ子集装箱探测的反演技术上已有研究积累,开展针对野外地球物理勘查的反演技术研究。由于μ子是天然源并携带三维地质信息,不同岩石与μ子相互作用过程十分复杂,μ子探测反演软件中的统计层析重建需要重点研究,为地层密度的最大似然统计提供基础,最终获得目标地体的三维提密度分布。

  (3)探测实验和应用领域拓展

  首先在比较符合μ子探测条件的场景,完成具有示范意义的μ子探测实验。再通过学会交流和科研项目开展,不断在活动断层探测、火山、水利工程勘察、隧道交通工程勘察、矿产地调、区域地调、文物保护等领域推广应用该方法。

  (4)μ子探测学科建设

  结合高能天体物理中宇宙线探测工程的开展和高能粒子探测器技术的进步,积极探索其他宇宙线高能粒子或人工高能粒子在地球物理勘查中的技术应用,逐步形成高能物理和地球物理的交叉新学科-高能地球物理学(HighEnergyGeophysics)或者高能粒子地球物理学(HighEnergyParticleGeophysics),其学科研究内容为:基于天然源或人工源的高能粒子穿过不同密度的物质后数量减少规律的差异,从观测穿过被测地质体不同方向上高能粒子的数量分布来反演计算地质体内部的密度异常分布,进而查明地质构造、寻找矿体和解决地质问题。——论文作者:

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