關(guān)于繆子成像及元素成分詳細(xì)解析

摘要 繆子為輕子的一種，主要來源于宇宙射線和加速器。宇宙射線繆子能量高、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)行成像和無損檢測。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射線可以對(duì)材料進(jìn)行元素分析。文章介紹了宇宙射線繆子成像、加速器繆子成像和繆子原子X射線元素分析三種技術(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，特別介紹了中國散裂中子源在加速器繆子成像和繆子原子X射線應(yīng)用研究的規(guī)劃。

01宇宙射線和加速器繆子成像

1.1 宇宙射線繆子物理特性

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年在觀測宇宙射線時(shí)發(fā)現(xiàn)［1］?？娮硬环€(wěn)定，半衰期約2.2μs，根據(jù)其來源主要分為兩種：宇宙射線繆子和加速器繆子［2］。宇宙射線繆子是天然的射線，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（圖1）。宇宙射線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-2 min-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射線和γ射線等成像方法，宇宙射線繆子具有穿透能力強(qiáng)、無需放射源和無需防護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)大型物體進(jìn)行成像和無損監(jiān)測。

圖1 宇宙射線與大氣相互作用

1.2 成像原理

繆子穿過物體時(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］。

透射成像是通過測量繆子穿過物體后的通量變化來對(duì)其成像?？娮哟┻^物體時(shí)會(huì)通過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┻^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，在被觀測物體后放置探測器，測量繆子穿過物體后的通量，通過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，就可以實(shí)現(xiàn)三維成像。透射成像只需在物體一側(cè)放置探測器，因此適用于對(duì)大型物體的觀測。

圖2 透射成像示意圖

散射成像是利用繆子穿透物體前后的角度差別來對(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度，X0為輻射長度。X0與物體原子種類直接相關(guān)，其半經(jīng)驗(yàn)公式為

如圖3（b）所示，在觀測物體前后各放置探測器，可以測量繆子穿過物體時(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。但散射成像探測器的空間布局限制了被觀測物體的尺寸，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

1.3 探測技術(shù)

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

（1）探測面積：由于宇宙射線繆子強(qiáng)度較低，成像時(shí)需要使用大面積探測器（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滿足 Δr = L×?α 關(guān)系（L為探測器與觀察物體距離）；通常將探測器位置分辨限定到（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，需要長時(shí)間測量。

宇宙射線繆子成像探測器主要有三類：閃爍體探測器、氣體探測器和核乳膠。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)帶電粒子探測效率接近100%，適用于宇宙射線繆子成像探測。粒子穿過閃爍體時(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。在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常在閃爍體和PMT或SiPM之間耦合波長位移光纖，將熒光光子波長轉(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器布局。此外，閃爍光纖［7］也可用于成像探測器的搭建。受限于塑料閃爍體條加工尺寸，探測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繆子成像探測器布局 （a） 三角形條［8—11］；（b） 方形條［12—14］；（c） 整塊閃爍體［15—18］

氣體探測器位置分辨高、對(duì)帶電粒子探測效率高，因此常用于對(duì)位置分辨要求高的散射成像?？娮哟┻^氣體探測器時(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，多種不同類型的氣體探測器已經(jīng)被成熟運(yùn)用于宇宙射線繆子成像。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平面探測陣列，以獲取繆子徑跡的X和Y方向坐標(biāo)；其他3種探測器則是像素型徑跡探測器，單個(gè)探測器就可以獲得X和Y方向坐標(biāo)。微結(jié)構(gòu)氣體探測器（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］。氣體探測器在使用時(shí)需要連續(xù)提供工作氣體，因此在戶外應(yīng)用中需要考慮氣體補(bǔ)償和安全處理。

圖5 不同類型的氣體探測器示意圖 （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），無需能源供應(yīng)，常用于被動(dòng)式宇宙射線繆子成像［26］?？娮釉诖┻^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。銀微晶的直徑約 1 μm，因此核乳膠探測器位置分辨可以達(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；該方法無法進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，離線分析需要消耗較長時(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)用場景，如空間探索［27］，像素型半導(dǎo)體探測器（位置分辨~10 μm）也被用于宇宙射線繆子成像。在天文觀測領(lǐng)域，人們可以借用大尺度望遠(yuǎn)鏡收集繆子在穿過空氣時(shí)產(chǎn)生的切倫科夫輻射光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙射線繆子徑跡的探測［28］，然而，受限于對(duì)望遠(yuǎn)鏡的使用，探測基本只在夜間進(jìn)行。

1.4 主要應(yīng)用

從20世紀(jì)50年代開始，宇宙射線繆子成像技術(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)行了測量，這是宇宙射線繆子成像的首次應(yīng)用［29］。此后，更多的成像應(yīng)用實(shí)驗(yàn)得到開展。到目前為止，該技術(shù)已經(jīng)在國土安全、自然災(zāi)害監(jiān)測、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 宇宙射線繆子成像應(yīng)用場景

宇宙射線繆子成像在國土安全方面的應(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，甚至需要快速成像，因此常用散射成像開展應(yīng)用［30］。2003年，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（LANL）首度將宇宙射線繆子散射成像應(yīng)用于對(duì)特殊核材料的監(jiān)控和檢測［30］。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)展了基于MicroMEGAS的宇宙射線繆子成像平臺(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法對(duì)桶內(nèi)物體進(jìn)行無損監(jiān)測。宇宙射線繆子能量高，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［32］。與對(duì)核廢料的監(jiān)測類似，核反應(yīng)堆堆芯運(yùn)行狀態(tài)也可以用宇宙射線繆子成像進(jìn)行監(jiān)控，探測器布局如圖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 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宇宙射線繆子成像平臺(tái)

圖8 核反應(yīng)堆芯燃料監(jiān)測

宇宙射線繆子成像技術(shù)還可對(duì)火山、冰川、地震斷裂帶和水庫堤壩等大型地質(zhì)構(gòu)造或人工設(shè)施進(jìn)行長時(shí)間動(dòng)態(tài)監(jiān)測。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器首度實(shí)現(xiàn)了這一構(gòu)想［34］。此后，一系列觀測項(xiàng)目迅速在日本［35］、意大利（MU-RAY［9］、MURAVES［8］和MIMA［10］）、法國（DIAPHANE［36］、TOMUVOL［37］）以及哥倫比亞［38］等地開展。此外，對(duì)地下水、河床、地質(zhì)斷層線、碳封存和冰川活動(dòng)等的成像觀測也逐漸增多［5］。

圖9 日本薩摩硫磺島火山宇宙射線繆子成像圖［35］

宇宙射線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使用氣體探測器對(duì)卡夫拉金字塔內(nèi)部的隱藏空間進(jìn)行了成像觀測，描制出世界首張金字塔“繆子透射圖”［39］。從2015年開始，由多國科研機(jī)構(gòu)組成的Scan Pyramids計(jì)劃開始對(duì)一些古老金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像觀測。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

1.5 基于加速器繆子源的繆子成像

由于宇宙射線繆子計(jì)數(shù)率較低，成像一般需要較長時(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，因此研究者們開始研究其用于成像的可行性。受限于國際繆子源的數(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)勢可以推進(jìn)基于加速器的繆子成像技術(shù)［42］。我國也計(jì)劃在中國散裂中子源（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射線元素分析

早在1947年我國物理學(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［44］。如圖12所示，繆子原子X射線的能量與俘獲原子相關(guān)，類似于電子的特征X射線。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射線的能量是電子X射線的200多倍。以繆子原子μLi的Kα線為例，其能量為 18.4 keV，相應(yīng)的電子Li的Kα線能量為 0.052 keV［45］。

圖12 負(fù)繆俘獲和躍遷并放出X射線過程示意圖

利用繆子原子躍遷釋放特征X射線的特性可以進(jìn)行繆子原子X射線元素分析。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)樣品的尺寸沒有限制：繆子原子釋放的X射線能量高，穿透性強(qiáng)，可以測量厚樣品；負(fù)繆束斑尺寸可調(diào)，可以測量不同大小的樣品；

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

（4）無損檢測：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射線元素分析技術(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

早期瑞士SIN（現(xiàn)為PSI）、加拿大TRIUMF和美國LANMF繆子源對(duì)生物材料進(jìn)行過繆子原子X射線元素分析實(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、羅馬錢幣等文物進(jìn)行了大量分析［47］。英國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繆子源都在開展繆子原子X射線元素分析實(shí)驗(yàn)［48，53，54］。此外，CSNS/EMuS也將繆子原子X射線元素分析的應(yīng)用納入計(jì)劃之中。

繆子原子X射線能量覆蓋幾個(gè)keV到 10 MeV 范圍，通常使用能量分辨高的高純鍺探測器進(jìn)行探測。高純鍺探測器死時(shí)間在微秒量級(jí)，相比之下，負(fù)繆被原子俘獲并釋放X射線的時(shí)間約 1 ns，因此可以認(rèn)為X射線瞬發(fā)產(chǎn)生。脈沖型繆子源束團(tuán)脈寬在 100 ns 內(nèi)，遠(yuǎn)低于高純鍺探測器死時(shí)間，因此探測器在一個(gè)脈沖內(nèi)只能探測一個(gè)X射線光子。束流脈沖重復(fù)頻率和探測器數(shù)量決定了X射線的計(jì)數(shù)率。為了提高脈沖型繆子原子X射線計(jì)數(shù)率，J-PARC將雙探測器布局升級(jí)到8探測器布局［55］（圖13（a）），探測效率得到明顯提升。此外，碲化鎘（CdTe）和碲鋅鎘（CZT）探測器也可用于繆子原子X射線探測。相比于高純鍺探測器，CdTe探測器（圖13（b））的能量分辨率略差，但其二維像素探測結(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）中的探測器多層樣品進(jìn)行了繆子原子X射線成像分析，結(jié)果顯示CdTe探測器可以有效地探測樣品元素三維分布［56］。

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

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射線元素分析方法的關(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射線過程［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)躍遷過程［58，59］。這表明，繆子原子X射線可以用于局部化學(xué)環(huán)境分析［50］。目前為止，繆子原子X射線產(chǎn)生過程的理論還在發(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：

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題，德國的研究人員提出了標(biāo)準(zhǔn)樣品比對(duì)法：測量成分已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品得到校正曲線，然后測量待測樣品并與校正曲線比對(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)行了測定，然后以此來確定日本銅幣和中國古鏡等文物的銅錫鉛占比［46］。

03總結(jié)和展望

宇宙射線繆子能量高、穿透性強(qiáng)，是天然的無損“探針”?；谟钪嫔渚€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)用場景對(duì)該技術(shù)的需求明顯增加，多種探測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)宇宙射線繆子成像都有布局，例如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)正在發(fā)展多探測手段和多觀測目標(biāo)的宇宙射線繆子成像平臺(tái)。隨著探測技術(shù)的進(jìn)步和成像算法的發(fā)展，宇宙射線繆子成像技術(shù)還有進(jìn)一步提升的空間。就技術(shù)本身而言，進(jìn)一步增大探測器面積、充分利用每個(gè)繆子穿過物體時(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，充分利用有限的觀測數(shù)據(jù)，提升圖像重建質(zhì)量。在對(duì)大型物體的成像方面，可以與重力測量、地震層析成像、電阻率層析成像等多種遠(yuǎn)程探測技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合測量，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，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)，該方法的未來發(fā)展?jié)摿薮?，提升探測系統(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射線元素分析技術(shù)具有對(duì)樣品內(nèi)部任意元素成分（從鋰到鈾元素）進(jìn)行探測和甄別的優(yōu)勢，可以處理大尺寸樣品，甚至可以通過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。中國散裂中子源上規(guī)劃建設(shè)的EMuS繆子源將為我國發(fā)展加速器繆子成像和繆子原子X射線元素分析的方法和應(yīng)用提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

［1］ Neddermeyer S H，Anderson C D. Phys. Rev.，1937，51（10）：884

［2］ 唐靖宇，周路平，洪楊。 物理，2020，49（10）：645

［3］ Shukla P，Sankrith S. Int. J. Mod. Phys. A，2018，33（30）：1850175

［4］ Procureur S. Nucl. Instru. and Meth. A，2018，878：169

［5］ Bonechi L，D′ alessandro R，Giammanco A. Reviews in Physics，2020，5：100038

［6］ Lynch G R，Dahl O I. Nucl. Instru. and Meth. B，1991，58（1）：6

［7］ Clarkson A，Hamilton D J，Hoek M et al. Nucl. Instru. and Meth. A，2014，745：138

［8］ Bonechi L，Ambrosino F，Cimmino L et al. EPJ Web Conf.，2018，182：02015

［9］ Ambrosi G，Ambrosino F，Battiston R et al. Nucl. Instru. and Meth. A，2011，628（1）：120

［10］ Baccani G，Bonechi L，Borselli D et al. J. Instrum.，2018，13：P11001

［11］ Anghel V，Armitage J，Baig F et al. Nucl. Instru. and Meth. A，2015，798：12

［12］ Lesparre N，Marteau J，Déclais Y et al. Geosci. Instrum. Method.Data Syst.，2012，1（1）：33

［13］ Vásquez-ramírez A，Suárez-durán M，Jaimes-motta A et al. J. Instrum.，2020，15：P08004

［14］ Flygare J，Bonneville A，Kouzes R et al. IEEE Trans. on Nucl. Sci.，2018，65（10）：2724

［15］ Liao C，Yang H，Liu Z et al. Nucl. Technol.，2019，205（5）：736

［16］ Stanca D，Niculescu-oglinzanu M，Brancus I et al. Rom. Rep.Phys.，2017，69（2）：301

［17］ Bravar U，Bruillard P J，F(xiàn)lckiger E O et al. IEEE Trans. on Nucl.Sci.，2006，53（6）：3894

［18］ Jo W J，Kim H，An S J et al. Nucl. Instru. and Meth. A，2013，732：568

［19］ Gnanvo K，Benson B，Bittner W et al. Detection and imaging of high- Z materials with a muon tomography station using GEM detectors. IEEE NSS-MIC Conf.，2010，552

［20］ Biglietti M，Canale V，F(xiàn)ranchino S et al. Nucl. Instru. and Meth. A，2016，824：220

［21］ Gómez H. Nucl. Instru. and Meth. A，2019，936：14

［22］ Iodice M. J. Instrum.，2014，9：C01017

［23］ Kume N，Miyadera H，Morris C et al. J. Instrum.，2016，11：P09008

［24］ Wang X，Cheng J，Wang Y et al. IEEE NSS-MIC Conf.，2012，27：83

［25］ Baesso P，Cussans D，Thomay C et al. J. Instrum.，2013，8：P08006

［26］ Tioukov V，Alexandrov A，Bozza C et al. Sci. Rep.，2019，9（1）：6695

［27］ Kedar S，Tanaka H K M，Naudet C J et al. Geosci. Instrum.Method. Data Syst.，2013，2（1）：157

［28］ Catalano O，Del santo M，Mineo T et al. Nucl. Instru. and Meth.A，2016，807：5

［29］ George E P. Commonwealth Engineer，1955，455

［30］ Borozdin K N，Hogan G E，Morris C et al. Nature，2003，422（6929）：277

［31］ Anghel V，Armitage J，Botte J et al. Construction， commissioning and first doota from the CRIPT muon tomography project. IEEE NSS-MIC Conf.，2012：738

［32］ Poulson D，Durham J M，Guardincerri E et al. Nucl. Instru. and Meth. A，2017，842：48

［33］ Nagamine K，Iwasaki M，Shimomura K et al. Nucl. Instru. and Meth. A，1995，356（2）：585

［34］ Tanaka H，Nagamine K，Kawamura N et al. Nucl. Instru. and Meth. A，2003，507（3）：657

［35］ Tanaka H K. Philos. Trans. R. Soc. A，2019，377（2137）：20180142

［36］ Lesparre N，Gibert D，Marteau J et al. Geophys. J. Int.，2010，183（3）：1348

［37］ Béné S，Boivin P，Busato E et al. Proc. CHEF，2013：414

［38］ Rodríguez J P. PoS （ICRC2019），2019，358：381

［39］ Alvarez L W，Anderson J A，Bedwei F E et al. Science，1970，167（3919）：832

［40］ Morishima K，Kuno M，Nishio A et al. Nature，2017，552（7685）：386

［41］ Doyama M，Kogure Y，Inoue M et al. Nucl. Instru. and Meth. A，2009，600（1）：60

［42］ Suerfu B，Tully C G. J. Instrum.，2016，11：P02015

［43］ Tang J，Ni X，Ma X et al. Quantum Beam Sci.，2018，2（4）：23

［44］ Chang W Y. Rev. Mod. Phys.，1949，21：166

［45］ Umegaki I，Higuchi Y，Nozaki H et al. JPS Conf. Proc.，2018，21：011041

［46］ Ninomiya K，Nagatomo T，Kubo K et al. Bull. Chem. Soc. Jpn.，2012，85（2）：228

［47］ Daniel H，Hartmann F J，Khler E et al. Archaeometry，1987，29（1）：110

［48］ Terada K，Sato A，Ninomiya K et al. Sci. Rep.，2017，7（1）：535

［49］ Umegaki I，Higuchi Y，Kondo Y et al. Anal. Chem.，2020，92（12）：8194

［50］ Aramini M，Milanese C，Hillier A D et al. Nanomaterials，2020，10（7）：1260

［51］ Reidy J J，Hutson R L，Daniel H et al. Anal. Chem.，1978，50（1）：40

［52］ Hosoi Y，Watanabe Y，Sugita R et al. Brit. J. Radiol.，1995，68（816）：1325

［53］ Hampshire B，Butcher K，Ishida K et al. Heritage，2019，2（1）：400

［54］ Ninomiya K，Kubo M K，Nagatomo T et al. Anal. Chem.，2015，87（9）：4597

［55］ Tampo M，Hamada K，Kawamura N et al. JPS Conf. Proc.，2015，8：036016

［56］ Katsuragawa M，Tampo M，Hamada K et al. Nucl. Instru. andMeth. A，2018，912：140

［57］ Fermi E，Teller E. Phys. Rev.，1947，72：399

［58］ Daniel H，Hartmann F J，Kohler E. Fresenius J. Anal. Chem.，1985，321（1）：65

［59］ Daniel H. Nucl. Instru. and Meth.，1978，150（3）：609
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