Совместной группой исследователей из ФИАН и НИИЯФ МГУ предложено практическое применение метода мюонной радиографии для исследования внутренней структуры крупных промышленных и природных объектов.
Мюон – удивительная частица. До сих пор неясно, для чего природа его создала, поскольку многие его физические характеристики схожи с аналогичными у электрона, за исключением массы: масса мюона в 207 раз больше массы электрона. Недаром мюон часто называют тяжелым электроном. Благодаря большей массе, пробег и проникающая способность у мюонов в тысячи раз больше, чем у электронов.
Еще одной особенностью потоков мюонов в природе является значительное количество этих частиц. Рождение мюонов происходит во множестве различных процессов, в т.ч. и в процессе взаимодействия первичного космического излучения с атмосферой Земли. Этих мюонов так много, что на поверхность планеты падает 10 000 частиц/(м2 · мин). Благодаря их большой проникающей способности, они могут проходить значительное количество вещества. Максимальная глубина, где регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, – это около 8600 м водного эквивалента, что соответствует примерно 2 км скального грунта. Регистрация мюонов, прошедших через какие-либо объекты, позволяет получить изображение внутренней структуры этих объектов.
«Использование мюонов в качестве просвечивающего пучка любых объектов аналогично рентгенографии: пучок проходит через какой-то объект, и, если плотность в той или иной части объекта будет меньше, то, соответственно, там будет регистрироваться большее количество мюонов, чем в других частях объекта. Преимуществами этого метода являются его неинвазивность и использование природного источника излучения. Здесь отсутствует необходимость в дополнительном искуственном источнике излучения. Метод мюонной радиографии (МР), кроме того, стоит существенно дешевле многих других.
Так, например (см. здесь), в рамках выполнения экологических программ, направленных на снижение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, правительствами некоторых стран ведутся работы по закачке углекислого газа в подземные полости, используемые в качестве резервуаров. Главной проблемой этой технологии является поиск таких полостей. Использование метода сейсмического сканирования земных недр, называемого 4D Seismic Surveying (4SS), для обнаружения полостей, требует установки на громадных морских судах сложной аппаратуры и сейсмического оборудования, что приводит к цене такого исследования порядка 5,5 миллионов фунтов стерлингов. Благодаря использованию мюонной радиографии физикам из Шеффилдского университета удалось кардинально сократить затраты на проведение такой разведки земных недр и произвести сканирование с более высокой точностью и разрешающей способностью, нежели традиционными сейсмологическими методами. Работа финансируется Британским министерством энергетики и климатических изменений (Department of Energy and Climate Change, DECC) и компанией Premier Oil, методику сканирования земных недр методом МР для этих целей проверили в тестовом эксперименте в одной из самых глубоких шахт Великобритании - Boulby» – поясняет руководитель проекта, заведующая Лабораторией элементарных частиц ФИАН Полухина Наталья Геннадьевна.
Залогом успеха экспериментов по мюонной радиографии (МР) является то, что о мюонах – их физические характеристики, параметры угловых распределений и т.п. – за годы научных исследований накопилось достаточно информации. Исторически сложилось так, что первые исследования с применением мюонной радиографии были проведены в археологических изысканиях. Резкое возрастание объема исследований по методике МР в мире в последнее время связано, главным образом, с возможностью использования ядерных фотоэмульсий для работ по МР, обработка которых стала полностью автоматизированной благодаря созданию новых высокотехнологичных автоматизированных сканирующих систем. Группа из ФИАН и НИИЯФ МГУ тоже использует для МР именно ядерные фотоэмульсионные детекторы производства компании «Славич», обладающие целым рядом неоспоримых достоинств.
Прежде всего, ядерные фотоэмульсионные (ЯФЭ) детекторы обладают высоким пространственным разрешением – 1 мкм, которое пока не может достигнуть ни один из современных детекторов. Такое пространственное разрешение позволяет восстанавливать «картинку» – структуру исследуемого объекта – с очень высокой степенью точности. К тому же ЯФЭ-детекторы информационно очень емкие, легко транспортируются, просты в обращении, не требуют дополнительного энергоснабжения, электронных считывающих устройств и дежурства оператора во время набора статистики. Используемые в настоящее время ЯФЭ-детекторы представляют собой чаще всего набор пластин площадью 10 × 12 см, т.е. величиной с ладонь. Детектор из нескольких таких пластин ЯФЭ (суммарной толщиной до 0.5 см) по угловому разрешению превосходит электронный телескоп с базой ≥ 1 м, а стоимость одной такой пластины не превышает тысячи рублей. Благодаря сочетанию таких свойств в настоящее время проводятся весьма успешные эксперименты по развитию и использованию методов МР на основе ЯФЭ в геологоразведке, промышленности, вулканологии и др. областях.
Группа ФИАН-НИИЯФ провела целый ряд экспериментов по внедрению методов МР-сканирования. В первых тестовых экспериментах целью было подобрать наиболее оптимальные условия экспозиции ЯФЭ-детекторов для различных глубин их закладки и параметры «сборок» из ЯФЭ-пластин, отладить программное обеспечение для восстановления пространственной структуры исследуемых объектов и многое другое. В 2012 и 2013 гг. были осуществлены тестовые измерения на двух крупных (23 т и 40 т) металлических конструкциях, а недавно завершился «натурный» эксперимент. В качестве такого натурного объекта исследовательской группе ФИАН-НИИЯФ МГУ было предложено сканирование сейсмографической шахты Геофизической службы РАН (г. Обнинск) глубиной около 30 метров. Результаты четырехмесячного эксперимента с ЯФЭ-детекторами: измерена разность потоков мюонов на поверхности и на глубине 30 метров, согласующаяся с результатами модельных расчетов; «обнаружены» конструктивные особенности шахты, в том числе – наличие лифтового «колодца» и специфика расположения шахты в толще грунта – наличие различных по плотности слоев (земля и мраморовидный известняк). Этот успешный опыт еще раз подтвердил состоятельность предлагаемой методики МР-сканирования.
На фото: Пример изображения фотоэмульсии, через которую прошли заряженные частицы.
Красными кружками показано движение трека мюонов
(предоставлено Полухиной Н.Г.)
В настоящее время российские исследователи ведут переговоры об использовании метода МР для исследования промышленных объектов в различных регионах России. В частности, для мониторинга состояния соляных шахт месторождений, разрабатываемых в г. Соликамске и г. Березняки Пермского края. Поскольку ЯФЭ-детекторы позволяют отслеживать уплотнения и места разрежений в грунте, подобный мониторинг позволит предупредить различные техногенные катастрофы.
«Вопрос поиска и разработки полезных ископаемых имеет важное стратегическое значение, и тут вряд ли возможно какое-то привлечение иностранных технологий. В России технология МР есть, и надо браться за ее применение, за внедрение результатов, полученных в ходе фундаментальных исследований, в прикладные работы.
Например, для поиска тех же углеводородов: совсем не одно и то же – пробурить несколько десятков скважин или только одну и, с помощью ЯФЭ-детектора, заложенного в нее, просмотреть тот же объем земной поверхности. Кроме того, при бурении скважин бывает, что углеводородный слой «проскочили», забив его песком, а вот МР-сканирование покажет его наличие.
Очевидно, что применение метода МР для исследования крупных промышленных и природных объектов для нашей страны должно иметь большое значение. Мы надеемся, что этот метод найдет широкое применение,» – отметила в заключение Наталья Геннадьевна.
Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»
