發布時間：2021-03-30所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要本文詳細介紹了宇宙線子探測的物理學背景及測量方法，綜述了該技術在火山學、考古學和核材料安全檢測等領域的應用，重點介紹了2006年日本Msama火山宇宙線子探測的儀器方法和應用經驗，分析了我國地球物理領域對宇宙線子探測技術的應用需求，提出了未來該
摘要本文詳細介紹了宇宙線μ子探測的物理學背景及測量方法，綜述了該技術在火山學、考古學和核材料安全檢測等領域的應用，重點介紹了2006年日本Msama火山宇宙線μ子探測的儀器方法和應用經驗，分析了我國地球物理領域對宇宙線μ子探測技術的應用需求，提出了未來該技術在中國的應用研究方向和設想。
關鍵詞宇宙線;μ子探測;衰變;密度流函數;地球物理勘查
0引言
宇宙線μ子(μ介子)探測技術是利用來自宇宙的高能粒子-μ子穿過被測物體后數量減少的規律來反演計算物體內部的密度變化情況，據此推斷物體內部的信息。
1936年C.Anderson在宇宙射線中發現一種未知粒子-μ子[1]，開啟了現代物理學的弱相互作用研究[1]。1962年L.W.Alvarez嘗試μ子探測技術掃描金字塔[2]，是人類首次將這一技術運用到地球物理考古勘查領域。此后，這一技術不斷應用到多個領域[3]，但由于探測技術的局限和野外觀測條件的限制，應用實例大多限于考古學、火山學。近年來，隨著探測技術的快速發展，這兩個領域最新的應用研究取得不俗的成果[4-6]，也逐漸引人注目。本文對該技術的理論背景、已應用領域進行介紹，并分析了該技術在我國地球物理基礎研究和工程地球物理方面的應用前景，提出未來相應的研究方向和展望。
1μ子探測的技術背景
1.1μ子的來源
宇宙中恒星異常活動、超新星爆發等天體事件產生海量的高能粒子[7]，到達地球大氣層上界的高能粒子主要成分是高速運動的質子，當其撞擊大氣層中的氮氣和氧氣原子核時，會產生大量級聯粒子，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，帶電π介子就會衰變為相對穩定的帶電μ子和中微子[8]，一部分帶電K介子和少部分中性K介子衰變為帶電π介子，進而衰變產生帶電μ介子，還有極少部分中性K介子直接衰變產生μ介子。
1.2μ子探測的理論基礎
(1)不考慮衰變的地表μ子密度分布μ子靜質量(105.7MeV/c2)約為電子質量的207倍[9]，分帶正負電荷兩種粒子，自旋1/2，屬非對稱交換粒子。
(2)μ子的衰變規律μ子的平均壽命τ為2.2μs(靜止坐標系)，在自然界迄今為止所發現的不穩定粒子中，μ子是除中子外平均壽命最長的粒子。
1.3μ子探測技術方案
常見的μ子探測技術方案有三種：核乳膠、閃爍計數器、氣體探測器。當前主流的μ子探測技術方案是閃爍計數器，該技術具有分辨時間短、效率高的特點，還可根據電信號的大小測定粒子的能量。
閃爍體分成有機閃爍體、無機閃爍體和氣體閃爍體等三種。其中，無機閃爍體，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。有機閃爍體主要是塑料、液體，發光效率高，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，正在重點發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)結合的探測器，以提高陣列的空間與能量分辨。同時，重點發展低噪聲前端放大電路，多通道模數模轉換，高性能時間一數字轉換等適合地球物理探測場景的專用集成電路。
2μ子探測技術已有應用領域
2.1埃及胡夫金字塔未知洞室探測
1962年，L.W.Alvarez將μ子探測技術用于發現埃及胡夫金字塔中未知洞室，這是該技術運用到物理學實驗室之外的最早記錄。由于早期技術的限制，雖然未實現目標，但對已有洞室的探測驗證了該技術的可行性。2017年9月，在對探測技術進行了許多改進之后，該技術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行掃描，終于發現了胡夫金字塔內中上部的未知洞室(見圖2)[10-11]。
2.2原蘇聯重點工程的地基勘察
1970年代，原蘇聯最大的射電望遠鏡“拉丹-600”建設工程的地基勘察中[3]，設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，根據檢查測量數據，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“守護者MT”[14]，用于探測車輛和集裝箱內隱藏的核材料，它能在X射線探測器無法工作的環境中運用。國內清華大學、西北核技術研究所等單位在跟蹤研究相關技術[15-16]。
2.4日本、法國火山探測
日本東京大學、名古屋大學和日本理化研究所共同開展的宇宙線μ子火山成像技術，研究了2006年和2009年Msama火山局部噴發前后的火山口地層結構和火山內部巖漿通道的變化[17-18]，取得較高精度的山體內部地層密度剖面。法國的IPGParis、IPNLyon和GeosciencesRennes組成的研究小組(DIAPHANE)運用該技術研究了加勒比地區瓜德羅普的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]。下面就日本科學家首次運用μ子火山成像的實例介紹該技術的設備和現場觀測布置。
(1)探測設備的核心裝置
2006年日本東京大學地震研究所的H.K.Tanaka等人構建了一套室外用的μ子探測成像系統，完成了日本著名火山Msama的μ子層析成像剖面。室外探測系統既要保證設備的便攜性、可用性和可靠性，又要實現適中的空間和時間分辨率。
該系統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，由于硅質火成巖中有放射性元素(比如鉀-40)，其衰變會產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。空間中μ子各個方向都有，為了準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換為電信號傳輸到計算機中，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，將ECC放置在50米巖層之下的2m×2m洞室內，可以大大減少高能電子產生的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備參數為：直徑1m2的μ子探測系統，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探測技術的優缺點
根據前述μ子探測技術已應用領域的情況來看，該技術已作為地球物理探測技術成功用于火山地質學和考古學，工程勘查應用較少，但也有先例。目前μ子探測技術已更新換代，便攜性大大提高，用于環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，該技術具備其他物探技術不具備的獨特優勢，誠然，受技術原理、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，更需要通過技術研發彌補完善。
相關期刊推薦：《地球物理學進展》(雙月刊)1986年創刊，本刊是中國科學院主管，中國科學院地質與地球物理研究所和中國地球物理學會共同主辦的地球物理學及相關領域的綜合性學術刊物，國內外公開發行。主要報道國內外地球物理學研究的最新進展和成果，探討地球物理學的發展戰略，評價地球物理學科的現狀和發展趨勢。
根據日本和法國科學家完成的火山μ子密度成像實例，該探測技術有下面四個優點。一是探測設備不用到山頂，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;四是單點多次觀測可基本獲得一個整個山體密度剖面，因此，該技術適合中低山區的地球物理勘查，特別是對于深切割山體，地下工程的開口段地形陡峭，常規物探技術都不太適用，鉆探難度也很大，該技術可以解決這一難題。
然而，μ子探測技術還有以下三個缺點：一是探測粒子受大氣環境影響明顯，精細的觀測需附屬簡易的大氣活動監測站;二是探測精度、深度與探測時長大體反相關，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，當被測山體的高度與周圍山體相當或較低時，會出現μ子在穿過被測山體前已經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，大都位于地形地質條件極其復雜的喜馬拉雅山脈、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，常規的物探勘察成本高，受地形影響大，采用μ子探測技術可在山腳溝谷中、水平探洞內或者水平鉆孔內布置μ子探測器，經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，進而解釋山體內斷層破裂帶、含水帶和軟硬巖分界面等不良地質體分布，與工程地質調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，我國工程勘察領域對宇宙線μ子探測技術的需求很是非常大，也非常緊迫。
(2)火山地質、山區活動斷層探測的地球物理研究
我國境內分布著一些活火山，東北、云南和新疆等地，存在火山噴發和火山地震的隱患;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，地形復雜，難以接近，很多發育在山區的活動斷層還沒有充分地研究。利用現有鉆孔或者專門設計的鉆孔，布設陣列μ子傳感器，進過一定時間的疊加觀測和數據累計，可以利用觀測數據對研究目標體火山機構和活動斷層進行三維密度成像，是這些領域新的較為方便的技術手段。
(3)重點文物的地球物理無損探測
由于年代久遠，敦煌石窟、龍游石窟、樂山大佛、故宮等重點文物內部存在著潛在的損傷，而現有絕大多數的探測方法設備對文物都有一定程度的損害或只能探測表面，在已知結構的情況下，利用μ子探測技術可在結構下部或旁側進行靜態連續觀測，獲得內部損傷導致的密度異常分布，真正實現對重點文物的無損探測。隨著μ子傳感器的小型化和陣列化，文物內部結構μ子探測成像會變的可實現和廣泛應用。
3.3未來我國地球物理領域在μ子探測技術方面的研究展望
鑒于以上討論，μ子探測技術在我國有很多地球物理科學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
首先，跟上日本和法國的步伐，開展野外小型μ子探測技術驗證性裝置的研發;同時開展對現有μ子探測器小型化的研究，梳理并改良μ子探測技術方案(核乳膠、塑膠閃爍計數器、氣體探測器)，選擇并研發合理的適合野外觀測的方案;此外，加強μ子探測器的噪音監視技術研究，提高探測器的精度。
(2)探測方法和反演軟件的研發
利用國內單位在μ子集裝箱探測的反演技術上已有研究積累，開展針對野外地球物理勘查的反演技術研究。由于μ子是天然源并攜帶三維地質信息，不同巖石與μ子相互作用過程十分復雜，μ子探測反演軟件中的統計層析重建需要重點研究，為地層密度的最大似然統計提供基礎，最終獲得目標地體的三維提密度分布。
(3)探測實驗和應用領域拓展
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、礦產地調、區域地調、文物保護等領域推廣應用該方法。
(4)μ子探測學科建設
結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的進步，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應用，逐步形成高能物理和地球物理的交叉新學科-高能地球物理學(HighEnergyGeophysics)或者高能粒子地球物理學(HighEnergyParticleGeophysics)，其學科研究內容為：基于天然源或人工源的高能粒子穿過不同密度的物質后數量減少規律的差異，從觀測穿過被測地質體不同方向上高能粒子的數量分布來反演計算地質體內部的密度異常分布，進而查明地質構造、尋找礦體和解決地質問題。——論文作者：
SCISSCIAHCI
