探究繆子成像及元素成分

摘要繆子為輕子的一種，主要來(lái)源于宇宙射線(xiàn)和加速器。宇宙射線(xiàn)繆子能量高、穿透性強(qiáng)，是一種天然的非破壞性基本粒子“探針”，可以對(duì)物體進(jìn)行成像和無(wú)損檢測(cè)。加速器繆子強(qiáng)度高、能量可調(diào)，可以對(duì)物體快速成像。

加速器產(chǎn)生的負(fù)繆粒子進(jìn)入材料會(huì)形成繆子原子，級(jí)聯(lián)躍遷產(chǎn)生的X射線(xiàn)可以對(duì)材料進(jìn)行元素分析。文章介紹了宇宙射線(xiàn)繆子成像、加速器繆子成像和繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析三種技術(shù)的基本原理、成像手段或分析方法，以及其主要應(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，特別介紹了中國(guó)散裂中子源在加速器繆子成像和繆子原子X(jué)射線(xiàn)應(yīng)用研究的規(guī)劃。

01宇宙射線(xiàn)和加速器繆子成像

1.1 宇宙射線(xiàn)繆子物理特性

繆子(muon，μ+/μ?)是輕子，質(zhì)量約為電子的207倍，由Carl D. Anderson和Seth Neddermeyer于1936年在觀(guān)測(cè)宇宙射線(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)[1]?？娮硬环€(wěn)定，半衰期約2.2μs，根據(jù)其來(lái)源主要分為兩種：宇宙射線(xiàn)繆子和加速器繆子[2]。
宇宙射線(xiàn)繆子是天然的射線(xiàn)，由外太空原初高能粒子與大氣分子碰撞產(chǎn)生的π介子衰變而來(lái)(圖1)。

宇宙射線(xiàn)繆子能量和角度連續(xù)分布[3]，平均能量約 4 GeV，強(qiáng)度約 104 m-2min-1，可以貫穿上千米厚的致密地層，是一種天然的非破壞性“探針”。相比于中子、X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)等成像方法，宇宙射線(xiàn)繆子具有穿透能力強(qiáng)、無(wú)需放射源和無(wú)需防護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)大型物體進(jìn)行成像和無(wú)損監(jiān)測(cè)。

圖1 宇宙射線(xiàn)與大氣相互作用(圖片來(lái)源于cms.cern/content/muon-tomography)

1.2 成像原理

繆子穿過(guò)物體時(shí)會(huì)損失能量，同時(shí)由于多重散射使其運(yùn)動(dòng)方向也發(fā)生變化，這兩種效應(yīng)決定了宇宙射線(xiàn)繆子具有兩種成像方式，即透射成像和散射成像[4,5]。

透射成像是通過(guò)測(cè)量繆子穿過(guò)物體后的通量變化來(lái)對(duì)其成像?？娮哟┻^(guò)物體時(shí)會(huì)通過(guò)電磁相互作用損失能量，其能量損失dE/dx由Bethe—Bloch公式描述：

式中ρ為穿過(guò)物體密度，Z為原子序數(shù)，A為質(zhì)量數(shù)，K與原子結(jié)構(gòu)相關(guān)，β為相對(duì)論速度?？娮哟┻^(guò)物體后，不同方向的繆子通量就代表了該物體在此方向的不透明度。如圖2所示，在被觀(guān)測(cè)物體后放置探測(cè)器，測(cè)量繆子穿過(guò)物體后的通量，通過(guò)重建算法可以得到物體的二維圖像，從多個(gè)方向聯(lián)合探測(cè)，就可以實(shí)現(xiàn)三維成像。透射成像只需在物體一側(cè)放置探測(cè)器，因此適用于對(duì)大型物體的觀(guān)測(cè)。

圖2 透射成像示意圖(圖片來(lái)源于nature.com)

散射成像是利用繆子穿透物體前后的角度差別來(lái)對(duì)其成像。單次散射的角度偏轉(zhuǎn)較小，而多重散射后表現(xiàn)出宏觀(guān)的角度偏轉(zhuǎn)(圖3(a))。散射角度?θ呈高斯分布，平均值為0，分布寬度σ可以近似表示為[6]

式中c為光速，p為繆子動(dòng)量，x為繆子在物體中的路徑長(zhǎng)度，X0為輻射長(zhǎng)度。X0與物體原子種類(lèi)直接相關(guān)，其半經(jīng)驗(yàn)公式為

如圖3(b)所示，在觀(guān)測(cè)物體前后各放置探測(cè)器，可以測(cè)量繆子穿過(guò)物體時(shí)的散射角度，由(2)和(3)式可以重建物體的圖像并確定其元素組成。相較于透射成像，散射成像可以重建繆子穿過(guò)物體前后的徑跡，因而成像精度更高，所需成像時(shí)間更短。但散射成像探測(cè)器的空間布局限制了被觀(guān)測(cè)物體的尺寸，通常用于對(duì)小尺寸物體成像。

圖3 (a) 繆子多重散射示意圖；(b) 散射成像示意圖(來(lái)源于nature.com)

1.3 探測(cè)技術(shù)

探測(cè)器是宇宙射線(xiàn)繆子成像裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其類(lèi)型和性能直接影響成像的質(zhì)量。在進(jìn)行宇宙射線(xiàn)繆子成像應(yīng)用時(shí)，探測(cè)器的配置需要考慮以下幾點(diǎn)因素[4]：

(1)探測(cè)面積：由于宇宙射線(xiàn)繆子強(qiáng)度較低，成像時(shí)需要使用大面積探測(cè)器(一般從 30×30 cm2到數(shù)m2)以提高統(tǒng)計(jì)量和立體角接收度，從而有效縮短測(cè)量時(shí)間和降低統(tǒng)計(jì)誤差；

(2)角分辨?α：該參數(shù)直接影響成像精度，不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)角分辨的要求不同，覆蓋亞毫弧度(mrad，散射成像)到 10 mrad (透射成像)量級(jí)；角分辨與位置分辨Δr滿(mǎn)足 Δr=L×?α關(guān)系(L為探測(cè)器與觀(guān)察物體距離)；通常將探測(cè)器位置分辨限定到(p為像素尺寸)內(nèi)，以平衡其尺寸與角分辨之間的沖突；

(3)穩(wěn)定性：在戶(hù)外應(yīng)用方面，環(huán)境溫濕度、天氣和電力供應(yīng)等條件將影響裝置的性能；此外，由于繆子計(jì)數(shù)率低，需要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量。

宇宙射線(xiàn)繆子成像探測(cè)器主要有三類(lèi)：閃爍體探測(cè)器、氣體探測(cè)器和核乳膠。在進(jìn)行成像應(yīng)用時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的探測(cè)方法。

塑料閃爍體可塑性好、易加工、價(jià)格相對(duì)低廉、對(duì)環(huán)境變化不敏感以及對(duì)帶電粒子探測(cè)效率接近100%，適用于宇宙射線(xiàn)繆子成像探測(cè)。粒子穿過(guò)閃爍體時(shí)損失能量使閃爍體原子發(fā)生激發(fā)—退激作用而產(chǎn)生熒光。熒光光子傳輸至光電倍增管(PMT)或硅光電倍增管(SiPM)被吸收并轉(zhuǎn)換為光電子。光電子在PMT或SiPM內(nèi)倍增產(chǎn)生電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的探測(cè)。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通常在閃爍體和PMT或SiPM之間耦合波長(zhǎng)位移光纖，將熒光光子波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到其光陰極可接收的范圍。圖4示意了3種常用的塑料閃爍體探測(cè)器布局。此外，閃爍光纖[7]也可用于成像探測(cè)器的搭建。受限于塑料閃爍體條加工尺寸，探測(cè)器位置分辨可以做到毫米到厘米量級(jí)，對(duì)應(yīng)角分辨為數(shù)個(gè)到數(shù)十個(gè)mrad。

圖4 常用塑料閃爍體型宇宙射線(xiàn)繆子成像探測(cè)器布局 (a) 三角形條[8—11]；(b) 方形條[12—14]；(c) 整塊閃爍體[15—18]

氣體探測(cè)器位置分辨高、對(duì)帶電粒子探測(cè)效率高，因此常用于對(duì)位置分辨要求高的散射成像?？娮哟┻^(guò)氣體探測(cè)器時(shí)，會(huì)與氣體分子或原子發(fā)生電離而產(chǎn)生電子離子對(duì)。電子(或離子)在漂移過(guò)程中會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生次級(jí)電子離子對(duì)，實(shí)現(xiàn)雪崩倍增。讀出單元(絲、條或像素)通過(guò)感應(yīng)電子(或離子)的電荷而產(chǎn)生信號(hào)，之后被電子學(xué)讀出。

氣體探測(cè)器讀出單元尺寸可以做到數(shù)十到數(shù)百微米，因此其位置分辨可以達(dá)到亞毫米量級(jí)，相應(yīng)的角分辨為亞mrad量級(jí)。如圖5所示，多種不同類(lèi)型的氣體探測(cè)器已經(jīng)被成熟運(yùn)用于宇宙射線(xiàn)繆子成像。其中，漂移管即單絲型正比管，在進(jìn)行成像應(yīng)用時(shí)需要使用數(shù)百至數(shù)千根漂移管組成X和Y平面探測(cè)陣列，以獲取繆子徑跡的X和Y方向坐標(biāo)；

其他3種探測(cè)器則是像素型徑跡探測(cè)器，單個(gè)探測(cè)器就可以獲得X和Y方向坐標(biāo)。微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器(MPGD)主要包含氣體電子倍增器(GEM)[19]、微條氣體室(MSGC)[20]和微網(wǎng)格結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器(MicroMEGAS)[21]。由于MPGD像素尺寸可以做得很小，其位置分辨甚至可以達(dá)到50μm以下[22]。氣體探測(cè)器在使用時(shí)需要連續(xù)提供工作氣體，因此在戶(hù)外應(yīng)用中需要考慮氣體補(bǔ)償和安全處理。

圖5 不同類(lèi)型的氣體探測(cè)器示意圖 (a)漂移管[23]；(b)多絲正比室[24]；(c)阻性板室[25]；(d)微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器[19—21]

核乳膠是一種能記錄帶電粒子徑跡的特制照相乳膠(主要成分為溴化銀微晶)，無(wú)需能源供應(yīng)，常用于被動(dòng)式宇宙射線(xiàn)繆子成像[26]?？娮釉诖┻^(guò)核乳膠片時(shí)電離出電子，銀離子接受電子被還原成銀原子。隨著銀原子積累，繆子的徑跡被顯現(xiàn)出來(lái)。銀微晶的直徑約 1 μm，因此核乳膠探測(cè)器位置分辨可以達(dá)到亞μm量級(jí)。

多張核乳膠片可以重建帶電粒子3D徑跡，因其高位置分辨的特點(diǎn)，可以獲得數(shù)個(gè)mrad量級(jí)的角分辨。但核乳膠片使用壽命一般在數(shù)個(gè)月內(nèi)，因此需要定期更換；其性能在高濕度或者低于10℃或高于25℃的溫度下會(huì)明顯衰退；該方法無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，離線(xiàn)分析需要消耗較長(zhǎng)時(shí)間(1 cm2數(shù)據(jù)需要消耗數(shù)個(gè)小時(shí))；全世界僅有有限的實(shí)驗(yàn)室具備核乳膠圖像自動(dòng)采集與分析譜儀，這在一定程度上限制了核乳膠探測(cè)器成像的實(shí)際使用。

在一些對(duì)抗輻射和尺寸要求較高而對(duì)成本控制要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景，如空間探索[27]，像素型半導(dǎo)體探測(cè)器(位置分辨~10 μm)也被用于宇宙射線(xiàn)繆子成像。在天文觀(guān)測(cè)領(lǐng)域，人們可以借用大尺度望遠(yuǎn)鏡收集繆子在穿過(guò)空氣時(shí)產(chǎn)生的切倫科夫輻射光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙射線(xiàn)繆子徑跡的探測(cè)[28]，然而，受限于對(duì)望遠(yuǎn)鏡的使用，探測(cè)基本只在夜間進(jìn)行。

1.4 主要應(yīng)用

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，宇宙射線(xiàn)繆子成像技術(shù)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。E. P. George使用蓋革計(jì)數(shù)器對(duì)澳大利亞Guthega Munyan隧道上方的巖石厚度進(jìn)行了測(cè)量，這是宇宙射線(xiàn)繆子成像的首次應(yīng)用[29]。此后，更多的成像應(yīng)用實(shí)驗(yàn)得到開(kāi)展。到目前為止，該技術(shù)已經(jīng)在國(guó)土安全、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、自然文化遺產(chǎn)和地質(zhì)與探礦等眾多領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用(圖6)。

圖6 宇宙射線(xiàn)繆子成像應(yīng)用場(chǎng)景(圖片來(lái)源于 Lynkeos Technology LTD)

宇宙射線(xiàn)繆子成像在國(guó)土安全方面的應(yīng)用主要包括對(duì)反應(yīng)堆、核電站、核材料運(yùn)輸以及核廢料或核裝備的監(jiān)測(cè)和成像。由于對(duì)這些材料或設(shè)施的監(jiān)控需要區(qū)分元素種類(lèi)，甚至需要快速成像，因此常用散射成像開(kāi)展應(yīng)用[30]。2003年，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)首度將宇宙射線(xiàn)繆子散射成像應(yīng)用于對(duì)特殊核材料的監(jiān)控和檢測(cè)[30]。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)展了基于MicroMEGAS的宇宙射線(xiàn)繆子成像平臺(tái)，以進(jìn)行散射或透射成像應(yīng)用(圖7)。除了氣體探測(cè)器，因塑料閃爍體價(jià)格低廉、易于加工，部分研究機(jī)構(gòu)也用其進(jìn)行散射成像應(yīng)用。2012年，由加拿大多家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)發(fā)起的CRIPT項(xiàng)目公布首張核材料成像圖片[31]。核廢料一般儲(chǔ)存在內(nèi)壁很厚的干式貯存箱(DSC)內(nèi)以避免核輻射溢出箱外，這也使得一般的粒子成像方法無(wú)法對(duì)桶內(nèi)物體進(jìn)行無(wú)損監(jiān)測(cè)。

宇宙射線(xiàn)繆子能量高，穿透性強(qiáng)，可以很好地對(duì)核廢料的位置及封存狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[32]。與對(duì)核廢料的監(jiān)測(cè)類(lèi)似，核反應(yīng)堆堆芯運(yùn)行狀態(tài)也可以用宇宙射線(xiàn)繆子成像進(jìn)行監(jiān)控，探測(cè)器布局如圖8所示。2011年3月由大型海嘯引發(fā)的9級(jí)地震使得日本福島第一核電站發(fā)生特大核事故。研究人員使用宇宙射線(xiàn)繆子成像方法成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)堆和熔化后的核燃料的成像監(jiān)控和定位[23]。

圖7 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宇宙射線(xiàn)繆子成像平臺(tái)

圖8 核反應(yīng)堆芯燃料監(jiān)測(cè)(圖片來(lái)源于spectrum.ieee.org)

宇宙射線(xiàn)繆子成像技術(shù)還可對(duì)火山、冰川、地震斷裂帶和水庫(kù)堤壩等大型地質(zhì)構(gòu)造或人工設(shè)施進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。圖9顯示該技術(shù)可以很好地對(duì)火山內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。1995年，Nagmine提出宇宙射線(xiàn)繆子可以對(duì)大型地質(zhì)構(gòu)造如火山內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的構(gòu)想[33]，其合作者Tanaka使用塑料閃爍體探測(cè)器首度實(shí)現(xiàn)了這一構(gòu)想[34]。

此后，一系列觀(guān)測(cè)項(xiàng)目迅速在日本[35]、意大利(MU-RAY[9]、MURAVES[8]和MIMA[10])、法國(guó)(DIAPHANE[36]、TOMUVOL[37])以及哥倫比亞[38]等地開(kāi)展。此外，對(duì)地下水、河床、地質(zhì)斷層線(xiàn)、碳封存和冰川活動(dòng)等的成像觀(guān)測(cè)也逐漸增多[5]。

圖9 日本薩摩硫磺島火山宇宙射線(xiàn)繆子成像圖[35]

宇宙射線(xiàn)繆子成像在歷史遺跡考古中也得到了成熟的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代Luis Alvarez使用氣體探測(cè)器對(duì)卡夫拉金字塔內(nèi)部的隱藏空間進(jìn)行了成像觀(guān)測(cè)，描制出世界首張金字塔“繆子透射圖”[39]。從2015年開(kāi)始，由多國(guó)科研機(jī)構(gòu)組成的Scan Pyramids計(jì)劃開(kāi)始對(duì)一些古老金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像觀(guān)測(cè)。如圖10所示，該計(jì)劃的日本成員在2017年首次發(fā)現(xiàn)了世界最大金字塔——胡夫金字塔內(nèi)部存在巨大的內(nèi)室空洞結(jié)構(gòu)[40]。

圖10 胡夫金字塔及其隱藏內(nèi)室(白點(diǎn)區(qū)域)三維圖像(來(lái)源于www.newscientist.com)

1.5 基于加速器繆子源的繆子成像

由于宇宙射線(xiàn)繆子計(jì)數(shù)率較低，成像一般需要較長(zhǎng)時(shí)間。而基于加速器產(chǎn)生的繆子能量相對(duì)較低(100 MeV量級(jí))，但能量分散小，方向性好，因此研究者們開(kāi)始研究其用于成像的可行性。受限于國(guó)際繆子源的數(shù)量和能量范圍，目前只在日本J-PARC進(jìn)行了基于加速器的繆子成像實(shí)驗(yàn)[41]，部分結(jié)果如圖11所示。

從圖11可以看出，繆子束成像的對(duì)比度更優(yōu)?；诩铀倨鞯腦射線(xiàn)和質(zhì)子束計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)(CT)已經(jīng)得到了成熟的應(yīng)用，借鑒這些技術(shù)的優(yōu)勢(shì)可以推進(jìn)基于加速器的繆子成像技術(shù)[42]。我國(guó)也計(jì)劃在中國(guó)散裂中子源(CSNS)建造實(shí)驗(yàn)型繆子源(EMuS)[43]，該設(shè)施將提供能量高達(dá) 350 MeV 的繆子束流，其高能量、高流強(qiáng)和高準(zhǔn)直度的特征將非常有利于開(kāi)展加速器繆子束透射成像應(yīng)用。

圖11 使用繆子束(a)和正電子束(b)對(duì)蝦進(jìn)行透射成像得到的圖像[41]

02 繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析

早在1947年我國(guó)物理學(xué)家張文裕研究發(fā)現(xiàn)負(fù)繆(μ-)進(jìn)入物體損失一定能量后會(huì)被原子俘獲形成繆子原子，隨后級(jí)聯(lián)躍遷放出X射線(xiàn)[44]。如圖12所示，繆子原子X(jué)射線(xiàn)的能量與俘獲原子相關(guān)，類(lèi)似于電子的特征X射線(xiàn)。負(fù)繆靜止質(zhì)量是電子的200多倍，根據(jù)玻爾半徑公式可知繆子原子X(jué)射線(xiàn)的能量是電子X(jué)射線(xiàn)的200多倍。以繆子原子μLi的Kα線(xiàn)為例，其能量為 18.4 keV，相應(yīng)的電子Li的Kα線(xiàn)能量為 0.052 keV[45]。

圖12 負(fù)繆俘獲和躍遷并放出X射線(xiàn)過(guò)程示意圖

利用繆子原子躍遷釋放特征X射線(xiàn)的特性可以進(jìn)行繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析。這種分析方法主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)可以進(jìn)行深度掃描：加速器繆子源提供的負(fù)繆束流動(dòng)量可調(diào)，因此可以分析材料內(nèi)不同深度的元素分布，再結(jié)合二維像素探測(cè)器，可以得到材料元素分布的三維信息；

(2)對(duì)樣品的尺寸沒(méi)有限制：繆子原子釋放的X射線(xiàn)能量高，穿透性強(qiáng)，可以測(cè)量厚樣品；負(fù)繆束斑尺寸可調(diào)，可以測(cè)量不同大小的樣品；

(3)可以探測(cè)從Li到U任意元素并且可以多元素同時(shí)甄別：繆子原子X(jué)射線(xiàn)能量比電子X(jué)射線(xiàn)的高，可以由探測(cè)器直接甄別出元素種類(lèi)；

(4)無(wú)損檢測(cè)：負(fù)繆的活化作用很弱，實(shí)驗(yàn)完成后樣品剩余輻射可以忽略。

基于以上特點(diǎn)，繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析技術(shù)可以應(yīng)用于文物分析[46,47]、地外物質(zhì)分析[48]等領(lǐng)域。近幾年，該技術(shù)也開(kāi)始向鋰電池[49]和原子化學(xué)[50]等領(lǐng)域拓展。

2.1 主要應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

早期瑞士SIN(現(xiàn)為PSI)、加拿大TRIUMF和美國(guó)LANMF繆子源對(duì)生物材料進(jìn)行過(guò)繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析實(shí)驗(yàn)[51,52]。瑞士PSI在這一領(lǐng)域相對(duì)活躍，已經(jīng)使用該技術(shù)對(duì)陶瓷上的釉質(zhì)、古代玻璃、羅馬錢(qián)幣等文物進(jìn)行了大量分析[47]。英國(guó)ISIS的RIKEN-RAL繆子源、日本J-PARC的MUSE繆子源和日本大阪大學(xué)的RCNP/MuSIC繆子源都在開(kāi)展繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析實(shí)驗(yàn)[48,53,54]。此外，CSNS/EMuS也將繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析的應(yīng)用納入計(jì)劃之中。

繆子原子X(jué)射線(xiàn)能量覆蓋幾個(gè)keV到 10 MeV 范圍，通常使用能量分辨高的高純鍺探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。高純鍺探測(cè)器死時(shí)間在微秒量級(jí)，相比之下，負(fù)繆被原子俘獲并釋放X射線(xiàn)的時(shí)間約 1 ns，因此可以認(rèn)為X射線(xiàn)瞬發(fā)產(chǎn)生。脈沖型繆子源束團(tuán)脈寬在 100 ns 內(nèi)，遠(yuǎn)低于高純鍺探測(cè)器死時(shí)間，因此探測(cè)器在一個(gè)脈沖內(nèi)只能探測(cè)一個(gè)X射線(xiàn)光子。

束流脈沖重復(fù)頻率和探測(cè)器數(shù)量決定了X射線(xiàn)的計(jì)數(shù)率。為了提高脈沖型繆子原子X(jué)射線(xiàn)計(jì)數(shù)率，J-PARC將雙探測(cè)器布局升級(jí)到8探測(cè)器布局[55](圖13(a))，探測(cè)效率得到明顯提升。此外，碲化鎘(CdTe)和碲鋅鎘(CZT)探測(cè)器也可用于繆子原子X(jué)射線(xiàn)探測(cè)。

相比于高純鍺探測(cè)器，CdTe探測(cè)器(圖13(b))的能量分辨率略差，但其二維像素探測(cè)結(jié)構(gòu)配合加速器繆子在樣品中注入深度可調(diào)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品元素分布的三維分析。J-PARC利用圖13(b)中的探測(cè)器多層樣品進(jìn)行了繆子原子X(jué)射線(xiàn)成像分析，結(jié)果顯示CdTe探測(cè)器可以有效地探測(cè)樣品元素三維分布[56]。

圖13 J-PARC最新繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析裝置 (a)高純鍺探測(cè)器陣列(圖中只顯示6個(gè)探測(cè)器)；(b)CdTe探測(cè)器

2.2分析方法

負(fù)繆被原子俘獲和繆子原子級(jí)聯(lián)躍遷是繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析方法的關(guān)鍵。1947年，F(xiàn)ermi和Teller最早使用經(jīng)典方法分析了繆子原子輻射X射線(xiàn)過(guò)程[57]，其結(jié)論認(rèn)為：對(duì)于雙元素體系，負(fù)繆俘獲概率正比于原子序數(shù)。然而，此后的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)某些材料并不遵循這一規(guī)律，原子所處的化學(xué)環(huán)境可以影響負(fù)繆俘獲和繆子原子的級(jí)聯(lián)躍遷過(guò)程[58,59]。這表明，繆子原子X(jué)射線(xiàn)可以用于局部化學(xué)環(huán)境分析[50]。目前為止，繆子原子X(jué)射線(xiàn)產(chǎn)生過(guò)程的理論還在發(fā)展和完善之中。

兩種元素總?cè)R曼系X射線(xiàn)之比R(Z1)/R(Z2)，可將兩原子的繆子俘獲之比A(Z1，Z2)與原子數(shù)量比k1/k2關(guān)聯(lián)起來(lái)：

其中Z1和Z2是原子序數(shù)，A(Z1，Z2)由理論算得。由該式可以看出，原子數(shù)量比數(shù)據(jù)依賴(lài)于對(duì)繆子原子俘獲模型的精細(xì)描述。為了避免理論模型的精度問(wèn)題，德國(guó)的研究人員提出了標(biāo)準(zhǔn)樣品比對(duì)法：測(cè)量成分已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品得到校正曲線(xiàn)，然后測(cè)量待測(cè)樣品并與校正曲線(xiàn)比對(duì)，以獲得樣品各元素原子比[58]。對(duì)多種玻璃樣品的測(cè)量結(jié)果顯示元素豐度的相對(duì)誤差最小可到1%。日本的研究人員利用該方法對(duì)青銅的主要成分(銅、錫和鉛)進(jìn)行了測(cè)定，然后以此來(lái)確定日本銅幣和中國(guó)古鏡等文物的銅錫鉛占比[46]。

03 總結(jié)和展望

宇宙射線(xiàn)繆子能量高、穿透性強(qiáng)，是天然的無(wú)損“探針”?；谟钪嫔渚€(xiàn)繆子的成像技術(shù)已經(jīng)陸續(xù)發(fā)展了70多年，尤其進(jìn)入21世紀(jì)后，許多應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)該技術(shù)的需求明顯增加，多種探測(cè)手段都得到了充分的應(yīng)用，其商業(yè)化的進(jìn)程也在加速。我國(guó)在這方面的發(fā)展也十分迅速，多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)宇宙射線(xiàn)繆子成像都有布局，例如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)正在發(fā)展多探測(cè)手段和多觀(guān)測(cè)目標(biāo)的宇宙射線(xiàn)繆子成像平臺(tái)。

隨著探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和成像算法的發(fā)展，宇宙射線(xiàn)繆子成像技術(shù)還有進(jìn)一步提升的空間。就技術(shù)本身而言，進(jìn)一步增大探測(cè)器面積、充分利用每個(gè)繆子穿過(guò)物體時(shí)的信息，可以進(jìn)一步提高成像精度和速度。在成像算法方面，可以與人工智能如機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等前沿成果相結(jié)合，充分利用有限的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，提升圖像重建質(zhì)量。在對(duì)大型物體的成像方面，可以與重力測(cè)量、地震層析成像、電阻率層析成像等多種遠(yuǎn)程探測(cè)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，從而獲得更加全面的信息。

基于加速器的繆子源具有強(qiáng)度高、束流(能量、流強(qiáng)和束斑)可控等優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)物體進(jìn)行快速成像和元素分析。受限于目前加速器繆束的能量，加速器繆子成像的研究和應(yīng)用處于起步階段。隨著高能量繆子束流的出現(xiàn)，該方法的未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?，提升探測(cè)系統(tǒng)和圖像重建算法性能將促進(jìn)加速器繆子成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析技術(shù)具有對(duì)樣品內(nèi)部任意元素成分(從鋰到鈾元素)進(jìn)行探測(cè)和甄別的優(yōu)勢(shì)，可以處理大尺寸樣品，甚至可以通過(guò)控制注入深度和位置對(duì)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維元素分析。這種技術(shù)已經(jīng)在文物考古、地礦物質(zhì)分析等領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用，其分析方法和應(yīng)用領(lǐng)域還在進(jìn)一步發(fā)展和拓寬。中國(guó)散裂中子源上規(guī)劃建設(shè)的EMuS繆子源將為我國(guó)發(fā)展加速器繆子成像和繆子原子X(jué)射線(xiàn)元素分析的方法和應(yīng)用提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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