發(fā)布時間：2021-03-30所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要本文詳細(xì)介紹了宇宙線子探測的物理學(xué)背景及測量方法，綜述了該技術(shù)在火山學(xué)、考古學(xué)和核材料安全檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了2006年日本Msama火山宇宙線子探測的儀器方法和應(yīng)用經(jīng)驗，分析了我國地球物理領(lǐng)域?qū)τ钪婢�子探測技術(shù)的應(yīng)用需求，提出了未來該
摘要本文詳細(xì)介紹了宇宙線μ子探測的物理學(xué)背景及測量方法，綜述了該技術(shù)在火山學(xué)、考古學(xué)和核材料安全檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了2006年日本Msama火山宇宙線μ子探測的儀器方法和應(yīng)用經(jīng)驗，分析了我國地球物理領(lǐng)域?qū)τ钪婢�μ子探測技術(shù)的應(yīng)用需求，提出了未來該技術(shù)在中國的應(yīng)用研究方向和設(shè)想。
關(guān)鍵詞宇宙線;μ子探測;衰變;密度流函數(shù);地球物理勘查
0引言
宇宙線μ子(μ介子)探測技術(shù)是利用來自宇宙的高能粒子-μ子穿過被測物體后數(shù)量減少的規(guī)律來反演計算物體內(nèi)部的密度變化情況，據(jù)此推斷物體內(nèi)部的信息。
1936年C.Anderson在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)一種未知粒子-μ子[1]，開啟了現(xiàn)代物理學(xué)的弱相互作用研究[1]。1962年L.W.Alvarez嘗試μ子探測技術(shù)掃描金字塔[2]，是人類首次將這一技術(shù)運(yùn)用到地球物理考古勘查領(lǐng)域。此后，這一技術(shù)不斷應(yīng)用到多個領(lǐng)域[3]，但由于探測技術(shù)的局限和野外觀測條件的限制，應(yīng)用實例大多限于考古學(xué)、火山學(xué)。近年來，隨著探測技術(shù)的快速發(fā)展，這兩個領(lǐng)域最新的應(yīng)用研究取得不俗的成果[4-6]，也逐漸引人注目。本文對該技術(shù)的理論背景、已應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行介紹，并分析了該技術(shù)在我國地球物理基礎(chǔ)研究和工程地球物理方面的應(yīng)用前景，提出未來相應(yīng)的研究方向和展望。
1μ子探測的技術(shù)背景
1.1μ子的來源
宇宙中恒星異�；顒印⒊滦潜l(fā)等天體事件產(chǎn)生海量的高能粒子[7]，到達(dá)地球大氣層上界的高能粒子主要成分是高速運(yùn)動的質(zhì)子，當(dāng)其撞擊大氣層中的氮?dú)夂脱鯕庠雍藭r，會產(chǎn)生大量級聯(lián)粒子，主要是π介子和K介子，它們是地表μ子的兩個主要來源(見圖1)。在極短時間內(nèi)，帶電π介子就會衰變?yōu)橄鄬Ψ�(wěn)定的帶電μ子和中微子[8]，一部分帶電K介子和少部分中性K介子衰變?yōu)閹щ?pi;介子，進(jìn)而衰變產(chǎn)生帶電μ介子，還有極少部分中性K介子直接衰變產(chǎn)生μ介子。
1.2μ子探測的理論基礎(chǔ)
(1)不考慮衰變的地表μ子密度分布μ子靜質(zhì)量(105.7MeV/c2)約為電子質(zhì)量的207倍[9]，分帶正負(fù)電荷兩種粒子，自旋1/2，屬非對稱交換粒子。
(2)μ子的衰變規(guī)律μ子的平均壽命τ為2.2μs(靜止坐標(biāo)系)，在自然界迄今為止所發(fā)現(xiàn)的不穩(wěn)定粒子中，μ子是除中子外平均壽命最長的粒子。
1.3μ子探測技術(shù)方案
常見的μ子探測技術(shù)方案有三種：核乳膠、閃爍計數(shù)器、氣體探測器。當(dāng)前主流的μ子探測技術(shù)方案是閃爍計數(shù)器，該技術(shù)具有分辨時間短、效率高的特點(diǎn)，還可根據(jù)電信號的大小測定粒子的能量。
閃爍體分成有機(jī)閃爍體、無機(jī)閃爍體和氣體閃爍體等三種。其中，無機(jī)閃爍體，常見的有鉈(Tl)激活的碘化銫Cs(Tl)晶體、LSO晶體和摻Gd閃爍玻等，主要用在對探測精度和效率要求很高的高能物理實驗中。有機(jī)閃爍體主要是塑料、液體，發(fā)光效率高，光衰減時間短。氣體閃爍體包括氙、氫等惰性氣體，發(fā)光效率不高，但光衰減時間較短。
目前野外用的μ子探測系統(tǒng)，正在重點(diǎn)發(fā)展新型高效的固體閃爍體，并研究與各種光電器件(雪崩光二極管、CCD、EBCCD等)結(jié)合的探測器，以提高陣列的空間與能量分辨。同時，重點(diǎn)發(fā)展低噪聲前端放大電路，多通道模數(shù)模轉(zhuǎn)換，高性能時間一數(shù)字轉(zhuǎn)換等適合地球物理探測場景的專用集成電路。
2μ子探測技術(shù)已有應(yīng)用領(lǐng)域
2.1埃及胡夫金字塔未知洞室探測
1962年，L.W.Alvarez將μ子探測技術(shù)用于發(fā)現(xiàn)埃及胡夫金字塔中未知洞室，這是該技術(shù)運(yùn)用到物理學(xué)實驗室之外的最早記錄。由于早期技術(shù)的限制，雖然未實現(xiàn)目標(biāo)，但對已有洞室的探測驗證了該技術(shù)的可行性。2017年9月，在對探測技術(shù)進(jìn)行了許多改進(jìn)之后，該技術(shù)的探測精度大大提高，在胡夫金字塔底部通道上對塔中上部進(jìn)行掃描，終于發(fā)現(xiàn)了胡夫金字塔內(nèi)中上部的未知洞室(見圖2)[10-11]。
2.2原蘇聯(lián)重點(diǎn)工程的地基勘察
1970年代，原蘇聯(lián)最大的射電望遠(yuǎn)鏡“拉丹-600”建設(shè)工程的地基勘察中[3]，設(shè)備對地基的垂直和水平形變非常敏感，采用孔中μ子法獲得了潛水面以下巖土體原位密度分布，根據(jù)檢查測量數(shù)據(jù)，該方法獲得的密度總精度為±4.1%，成果還包括了測量本身的精度估算、密度隨深度和時間的變化等。
2.3美國集裝箱核材料探測
美國決策科學(xué)公司(DSC)與洛斯阿拉莫斯實驗室(LANL)合作研制了μ子探測掃描系統(tǒng)“守護(hù)者M(jìn)T”[14]，用于探測車輛和集裝箱內(nèi)隱藏的核材料，它能在X射線探測器無法工作的環(huán)境中運(yùn)用。國內(nèi)清華大學(xué)、西北核技術(shù)研究所等單位在跟蹤研究相關(guān)技術(shù)[15-16]。
2.4日本、法國火山探測
日本東京大學(xué)、名古屋大學(xué)和日本理化研究所共同開展的宇宙線μ子火山成像技術(shù)，研究了2006年和2009年Msama火山局部噴發(fā)前后的火山口地層結(jié)構(gòu)和火山內(nèi)部巖漿通道的變化[17-18]，取得較高精度的山體內(nèi)部地層密度剖面。法國的IPGParis、IPNLyon和GeosciencesRennes組成的研究小組(DIAPHANE)運(yùn)用該技術(shù)研究了加勒比地區(qū)瓜德羅普的LaSoufrier火山[19]，法國的另一個研究小組(TOMUVOL)研究了法國克萊蒙朗德的PuydeDome火山[20]。下面就日本科學(xué)家首次運(yùn)用μ子火山成像的實例介紹該技術(shù)的設(shè)備和現(xiàn)場觀測布置。
(1)探測設(shè)備的核心裝置
2006年日本東京大學(xué)地震研究所的H.K.Tanaka等人構(gòu)建了一套室外用的μ子探測成像系統(tǒng)，完成了日本著名火山Msama的μ子層析成像剖面。室外探測系統(tǒng)既要保證設(shè)備的便攜性、可用性和可靠性，又要實現(xiàn)適中的空間和時間分辨率。
該系統(tǒng)的核心裝置是核乳膠式(ECC)的探測板(如圖3)，乳膠實際上是一種相機(jī)底片，表面涂有一層厚厚的AgBr微晶體，厚度整個底片的31%，高能帶電粒子直接將晶體中Ag+還原成Ag原子，由此在底片上留下灰色印記，這就是帶電粒子的三維形跡。為減少底片暴露在空氣中的氧化作用，底片放置在抽成真空的鋁泡沫板中，由于硅質(zhì)火成巖中有放射性元素(比如鉀-40)，其衰變會產(chǎn)生干擾探測的放射性粒子，因此底片前面加了一層3mm厚的鋼板(如圖3)，這個厚度可將1.3MeV以下的由鉀-40衰變出來的β射線及電子完全屏蔽�？臻g中μ子各個方向都有，為了準(zhǔn)確記錄探測器前方穿過山體的μ子事件，就要將后方的μ子事件也記錄下來，因此，要再增加一組核乳膠底片(如圖3)，底片周圍有16個CCD光電探測器將三維粒子形跡記錄并轉(zhuǎn)換為電信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，在Super-UTS粒子探測記錄軟件中存儲下來。探測器的效率為50%~100%，單個傳感器的有效探測面積為720cm2。
由于宇宙線中性介子衰變出來的高能電子是探測器重要的背景噪音，利用電子在巖土體中衰減快而μ子可以大量通過巖石的特點(diǎn)，將ECC放置在50米巖層之下的2m×2m洞室內(nèi)，可以大大減少高能電子產(chǎn)生的μ子傳感器噪聲。
(3)探測成果介紹
圖5下是本次火山探測形成的密度等值線圖，該圖中部的虛線以上為火山最近一次噴發(fā)新形成的巖層。探測形成的密度剖面垂直深度50~500m，角分辨率30mrad(約1.7°)，相當(dāng)于在1km的探測距離上最小空間分辨率30m，觀測時間大約2個月，而且時間越長，捕捉到的帶著地層信息的μ子越多，分辨率就越高。
日本研究小組最新的設(shè)備參數(shù)為：直徑1m2的μ子探測系統(tǒng)，對于普通密度的巖石，探測山體厚度500m和1000m，分別需要一星期和一個月的觀測能達(dá)到對10%密度異常的分辨率[18]。
3我國地球物理勘查的需求及研究展望
3.1探測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
根據(jù)前述μ子探測技術(shù)已應(yīng)用領(lǐng)域的情況來看，該技術(shù)已作為地球物理探測技術(shù)成功用于火山地質(zhì)學(xué)和考古學(xué)，工程勘查應(yīng)用較少，但也有先例。目前μ子探測技術(shù)已更新?lián)Q代，便攜性大大提高，用于環(huán)境更加苛刻的野外勘查完全有可能。更重要的是，作為物探新技術(shù)，該技術(shù)具備其他物探技術(shù)不具備的獨(dú)特優(yōu)勢，誠然，受技術(shù)原理、地形、探測信號的原始來源等諸多因素的限制，也有一些先天缺陷，更需要通過技術(shù)研發(fā)彌補(bǔ)完善。
相關(guān)期刊推薦：《地球物理學(xué)進(jìn)展》(雙月刊)1986年創(chuàng)刊，本刊是中國科學(xué)院主管，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和中國地球物理學(xué)會共同主辦的地球物理學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的綜合性學(xué)術(shù)刊物，國內(nèi)外公開發(fā)行。主要報道國內(nèi)外地球物理學(xué)研究的最新進(jìn)展和成果，探討地球物理學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略，評價地球物理學(xué)科的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
根據(jù)日本和法國科學(xué)家完成的火山μ子密度成像實例，該探測技術(shù)有下面四個優(yōu)點(diǎn)。一是探測設(shè)備不用到山頂，布置在山體中下部，甚至山腳下;二是探測不需布線，觀測形式相對簡單，較輕便;三是用于探測的信號-μ子不用人工合成，天然來源;四是單點(diǎn)多次觀測可基本獲得一個整個山體密度剖面，因此，該技術(shù)適合中低山區(qū)的地球物理勘查，特別是對于深切割山體，地下工程的開口段地形陡峭，常規(guī)物探技術(shù)都不太適用，鉆探難度也很大，該技術(shù)可以解決這一難題。
然而，μ子探測技術(shù)還有以下三個缺點(diǎn)：一是探測粒子受大氣環(huán)境影響明顯，精細(xì)的觀測需附屬簡易的大氣活動監(jiān)測站;二是探測精度、深度與探測時長大體反相關(guān)，提高儀器的精度和噪音水平可降低探測時長;三是受毗連山體影響較大，當(dāng)被測山體的高度與周圍山體相當(dāng)或較低時，會出現(xiàn)μ子在穿過被測山體前已經(jīng)先穿過毗鄰山體的情形，反演計算時要考慮μ子在毗鄰山體中的減少，此時需在被測山體背面μ子的路徑上增加一組觀測裝置。
3.2我國地球物理勘查的需求
(1)西部山區(qū)大型地下工程勘查
我國西部大型地下工程日益增多，例如雅魯藏布江上游大型水利工程、川藏鐵路等，大都位于地形地質(zhì)條件極其復(fù)雜的喜馬拉雅山脈、橫斷山脈和昆侖山脈腹地，多以深切割中高山地貌為主，上山難度極大，常規(guī)的物探勘察成本高，受地形影響大，采用μ子探測技術(shù)可在山腳溝谷中、水平探洞內(nèi)或者水平鉆孔內(nèi)布置μ子探測器，經(jīng)過一定時間的觀測積累，就能在一定程度上獲得山體中上部密度分布，進(jìn)而解釋山體內(nèi)斷層破裂帶、含水帶和軟硬巖分界面等不良地質(zhì)體分布，與工程地質(zhì)調(diào)查和其他物探手段配合，減少上山工作量，提高勘察精度和效率。因此，我國工程勘察領(lǐng)域?qū)τ钪婢�μ子探測技術(shù)的需求很是非常大，也非常緊迫。
(2)火山地質(zhì)、山區(qū)活動斷層探測的地球物理研究
我國境內(nèi)分布著一些活火山，東北、云南和新疆等地，存在火山噴發(fā)和火山地震的隱患;青藏高原東緣至橫斷山脈是中國大陸地震極其活躍的地區(qū)，地形復(fù)雜，難以接近，很多發(fā)育在山區(qū)的活動斷層還沒有充分地研究。利用現(xiàn)有鉆孔或者專門設(shè)計的鉆孔，布設(shè)陣列μ子傳感器，進(jìn)過一定時間的疊加觀測和數(shù)據(jù)累計，可以利用觀測數(shù)據(jù)對研究目標(biāo)體火山機(jī)構(gòu)和活動斷層進(jìn)行三維密度成像，是這些領(lǐng)域新的較為方便的技術(shù)手段。
(3)重點(diǎn)文物的地球物理無損探測
由于年代久遠(yuǎn)，敦煌石窟、龍游石窟、樂山大佛、故宮等重點(diǎn)文物內(nèi)部存在著潛在的損傷，而現(xiàn)有絕大多數(shù)的探測方法設(shè)備對文物都有一定程度的損害或只能探測表面，在已知結(jié)構(gòu)的情況下，利用μ子探測技術(shù)可在結(jié)構(gòu)下部或旁側(cè)進(jìn)行靜態(tài)連續(xù)觀測，獲得內(nèi)部損傷導(dǎo)致的密度異常分布，真正實現(xiàn)對重點(diǎn)文物的無損探測。隨著μ子傳感器的小型化和陣列化，文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)μ子探測成像會變的可實現(xiàn)和廣泛應(yīng)用。
3.3未來我國地球物理領(lǐng)域在μ子探測技術(shù)方面的研究展望
鑒于以上討論，μ子探測技術(shù)在我國有很多地球物理科學(xué)研究和工程地球物理探測方面的需求，因此，在μ子探測研究領(lǐng)域還有很多探索性研究工作需要開展。
(1)μ子探測裝備的研發(fā)
首先，跟上日本和法國的步伐，開展野外小型μ子探測技術(shù)驗證性裝置的研發(fā);同時開展對現(xiàn)有μ子探測器小型化的研究，梳理并改良μ子探測技術(shù)方案(核乳膠、塑膠閃爍計數(shù)器、氣體探測器)，選擇并研發(fā)合理的適合野外觀測的方案;此外，加強(qiáng)μ子探測器的噪音監(jiān)視技術(shù)研究，提高探測器的精度。
(2)探測方法和反演軟件的研發(fā)
利用國內(nèi)單位在μ子集裝箱探測的反演技術(shù)上已有研究積累，開展針對野外地球物理勘查的反演技術(shù)研究。由于μ子是天然源并攜帶三維地質(zhì)信息，不同巖石與μ子相互作用過程十分復(fù)雜，μ子探測反演軟件中的統(tǒng)計層析重建需要重點(diǎn)研究，為地層密度的最大似然統(tǒng)計提供基礎(chǔ)，最終獲得目標(biāo)地體的三維提密度分布。
(3)探測實驗和應(yīng)用領(lǐng)域拓展
首先在比較符合μ子探測條件的場景，完成具有示范意義的μ子探測實驗。再通過學(xué)會交流和科研項目開展，不斷在活動斷層探測、火山、水利工程勘察、隧道交通工程勘察、礦產(chǎn)地調(diào)、區(qū)域地調(diào)、文物保護(hù)等領(lǐng)域推廣應(yīng)用該方法。
(4)μ子探測學(xué)科建設(shè)
結(jié)合高能天體物理中宇宙線探測工程的開展和高能粒子探測器技術(shù)的進(jìn)步，積極探索其他宇宙線高能粒子或人工高能粒子在地球物理勘查中的技術(shù)應(yīng)用，逐步形成高能物理和地球物理的交叉新學(xué)科-高能地球物理學(xué)(HighEnergyGeophysics)或者高能粒子地球物理學(xué)(HighEnergyParticleGeophysics)，其學(xué)科研究內(nèi)容為：基于天然源或人工源的高能粒子穿過不同密度的物質(zhì)后數(shù)量減少規(guī)律的差異，從觀測穿過被測地質(zhì)體不同方向上高能粒子的數(shù)量分布來反演計算地質(zhì)體內(nèi)部的密度異常分布，進(jìn)而查明地質(zhì)構(gòu)造、尋找礦體和解決地質(zhì)問題。——論文作者：
