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你用光子給自己“美圖”科學家用繆子“透大物

发布时间:2019-02-25 06:39编辑:电视剧浏览(127)

      生活中的拍照更完整的說法或許是:讓光子的軌跡投射出人或美景的影像。不止光子,利用電子、正電子、質子等各種粒子的成像技術是人們“定格”的常用方法,經常被用來反應微觀、宏觀、致密、疏鬆等不同特點的世界。

      《自然》網站最近登載了一種全新的粒子成像方法。這篇題為《鮮為人知粒子探測致密物質》的報道,介紹了借用繆子的探測方法,這與拍照借用光子成像類似。科學家們利用繆子給埃及金字塔、核廢料等之前難以探明內裡的物體“摸骨”,可以做到入木三分、直擊致密材質的深層。

      “和其他粒子比較起來,繆子的穿透能力很強,可以穿透上千米的岩石,因此可以對體積大的、難以穿透的東西成像,而電子、光子等粒子是不可能穿透這些物質的。”中國科學院高能物理研究所研究員曹俊解釋。去年11月,《自然》網站就報道了科學家們利用繆子探測技術在最大的埃及金字塔胡夫金字塔中發現此前未知的巨大空室。此外,繆子還可以用在火山內部、廢棄核電廠的內部構造等探測上。

      “繆子比較重,產生起來比較困難,放射性衰變、核裂變、核聚變都無法產生繆子。”曹俊說,繆子不像電子、光子那樣容易產生,人造繆子需要重大裝備才能產生。

      自然界天然存在繆子,是由宇宙射線與大氣分子相撞產生的。宇宙中充斥著高能宇宙射線,它們抵達地球外層大氣時會與大氣分子發生碰撞,生成派介子,派介子再衰變成繆子和中微子。“地球表面每平方米的范圍內每秒會落下200個宇宙線繆子。”曹俊說。

      繆子性質和電子相似,帶電荷,但質量是電子的兩百倍。因為質量大、慣性大,它在物質中不容易轉向,因此輻射造成的能量損失比電子小,穿透比電子深得多。此外,由高速碰撞產生的繆子本身也帶著巨大的動能,以高速沖向地面。高速度、高質量使得繆子擁有“高段位”的“穿牆術”,可穿透幾公裡的致密地層。

      四川錦屏地下實驗室是目前世界上最深的地下實驗室,其岩層厚度約2700米,在那裡仍然可以探測到來自宇宙射線的繆子。

      “繆子也可以用加速器產生,將質子在巨大的加速器中加速,轟擊靶標,產生繆子。”曹俊介紹,但這樣的加速器更像是基礎建設設施,而不是可移動的設備,並且非常龐大和昂貴。

      例如今年在東莞建設成功的散裂中子源,也是通過質子加速器產生中子的。“質子加速器同樣可以用於產生繆子,所以我們很快將會在東莞建立一個試驗用的繆子源。”曹俊說。

      “目前隻有固定加速器能產生繆子,因此還不具備應用於探測設備上的條件。”曹俊解釋,未來如果能夠把質子加速器小型化,使其可移動,才有可能制造出類似於CT(電子計算機斷層掃描)設備對山或大型建筑成像。“目前也有人在進行質子加速器小型化的研究工作,例如可以裝在卡車上的超導回旋加速器,但還處於研究初級階段,短時間內較難實現。”

      在《自然》的報道中,對岩石、礦藏、火山、金字塔等進行掃描所利用的繆子,就是從自然界“信手拈來”的,也是最方便的。

      利用粒子成像的設備均可粗略概括為“三段論”:即粒子的產生器件、粒子與成像物體的相互作用以及粒子的示蹤。除此之外,對所有粒子示蹤信號的分析和再現則是非常關鍵的軟件部分。

      在這樣的架構下,無處不在的宇宙線繆子使得粒子產生不是設備中必需的,如何探測繆子成為研究重點。對繆子成像設備與系統的研究自1955年首個繆子測量之后從未停止。

      “當繆子經過物質時,不同密度的物質對繆子的吸收能力不同,最終達到探測器的繆子數量就不同,通過不同方向測到的繆子數量,可以反推繆子走過的路是怎麼樣的。”曹俊解釋繆子成像原理認為,就好像一路全速前進的特種兵,在翻閱溝壑、趟過密林、順流而下的不同行進路線之后,狀態也是不一樣的。

      好在繆子屬於“重型裝甲兵”,可以穿過很多層探測器,其主要的能量損失方式是電離,而不是像光子那樣整個消失。因此可以把繆子穿過每層探測器時留下的腳印串起來,看到清楚的徑跡,基本不需要去噪技術。

      繆子的探測分為兩個過程:首先是粒子鑒別,即把繆子與其他粒子區別開來﹔然后是獲得繆子的具體參數,比如能量與方向等。

      “探測繆子一般用粒子物理探測器,有很多種類。報道中提到的金字塔考古工作同時使用了核乳膠、塑料閃爍體、氣體微結構等三種技術。”曹俊解釋,此外還有阻性板探測器等常用技術。

      所用探測材質都會通過光、電等效應記錄下粒子的印跡。例如,核乳膠是在乳膠中分布了溴化銀等顯影物質,帶電粒子穿過核乳膠層時,使得顯影物質發生電離等化學變化,通過顯影定影后,可根據影像追蹤粒子的徑跡,再進行測量。這一“成像術”更像膠片相機,不能即時得到測量結果,難於實現自動化。

      塑料閃爍體則是一種吸收高能粒子或射線后能夠發光的材料,通過光電信號轉換后,可得到電信號,進而實現自動化計算,並有通過后續算法三維重建、可視化等潛力。

      “繆子成像在技術原理上並沒有太多需要研究的地方,更多地是如何讓它在應用時更方便。”曹俊說。繆子性質、探測方法、成像方法等相關通用性原理已經相對較清楚,但針對某一特定問題如何更准確地探測,並建立行之有效的分析算法,才能夠在工作中實踐。

      由於繆子與高原子序數的核相互作用明顯,很容易用於識別較重的燃料核素,因此,將繆子成像技術用在核反應堆的監測上或者核走私的探查上,都能夠實現安全無損的檢測。相關研究論文顯示,如果繆子成像系統運用於工業集裝箱檢測,探測器的面積最好大於1平方米。在這樣的要求下,阻性板探測器優勢更加明顯。

      “最近我們在大亞灣中微子實驗室把一塊塊的探測器重新組合,從平面轉為立體,每個面放了三層阻性板,每層裡面其實還由四層組成。”曹俊解釋,雖然這樣做的目的是為了探測宇宙線繆子,但是在實際應用中也可以對集裝箱或者山成像。

      每層阻性板之間將加上7600伏特的電壓,繆子穿過物質時會使物質電離,但電離作用太小,人是感覺不到的。阻性板加上高壓后,一有電離就會形成打火,產生可以記錄下來的電信號。曹俊解釋:“立方體構造的探測裝置,可以測量各個方向來的繆子。多層設計是為了讓繆子在穿透每層探測器時都留下一個點,大大提高測量精確度。”

      在針對實際問題的研究工作中,繆子成像方法和關鍵技術的條件與操作還需要進行具體問題具體分析式的“命題作文”。例如在回答能否利用繆子地質斷層成像探明礦區詳細的礦石儲量與分布的問題時,在給出肯定回答的同時,還需要通過實驗確定採用哪種探測器成本更低廉、哪種分析方法更高效等具體的細節問題。

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