Субатомные частицы, естественно бомбардирующие Землю, могли использоваться для создания 3D изображений промышленного оборудования сродни медицинским снимкам компьютерной томографии сделанный с рентгеновскими лучами, новое исследование предлагает. Метод мог показать коррозию труб или ухудшения в толстых слоях бетона. Это могло также позволить обычные проверки труб и клапанов, похороненных, обернутых в изоляцию, или иначе недоступных, даже в то время как оборудование используется — и даже если это находится глубоко в в большой степени огражденном ядерном реакторе, говорят ученые.Частицы, делающие такие исследования возможными, являются мюонами, более тяжелыми недолговечными кузенами электронов.
На Земле сформировано большинство мюонов, когда космические лучи — богатые энергией субатомные частицы, как правило, происходящие вне нашей солнечной системы — врезались в атмосферу, вызывая каскад более низких энергетических частиц. Мюон несет тот же отрицательный заряд как электрон, но является в 207 раз более крупным и длится только несколько микросекунд прежде, чем распасться в электрон и частицы, названные neutrinos.
В среднем, об одном мюоне проходит через каждый квадратный сантиметр Поверхности Земли каждую минуту.Поскольку мюоны являются крупными, но не взаимодействуют слишком сильно с другими материалами, они могут проникнуть через сотни метров камня и почвы, говорит Мэтт Дархэм, ядерный физик в Лос-Аламосе Национальная Лаборатория в Нью-Мексико и ведущий автор исследования. В сравнении более легкие электроны останавливаются в материале почти немедленно, где более тяжелые протоны и атомные ядра взаимодействуют с ними так сильно, что они распадаются в души частиц. Способность мюонов проникнуть делает их идеальными для равноправного информационного обмена в объекты.
Чем более плотный материал, через который проходят мюоны, тем больше они рассеяны и отклонены от их оригинального пути.В исследовании исследователи поместили мюонные датчики в каждую сторону объекта, которого они желали к изображению. Тогда они отследили пути мюонов, когда они прошли через один набор датчиков, тогда объект, и наконец второй набор датчиков.
Путем картографирования «прежде» и «после» траекторий мюона, исследователи могут определить, насколько его путь был отклонен. И путем анализа отклонений многих мюонов, проходящих через различные части объекта, исследователи могут математически вывести 3D распределение массы в космосе между множествами датчика, говорит Дархэм.
Метод является чем-то вроде гибрида между традиционными медицинскими рентгеновскими лучами, использующими способность материала заблокировать рентгеновские лучи для прямого создания 2D изображения массового распределения и дифракции рентгеновских лучей, использующей одни только углы для исследования 3D структур кристаллов. Дархэм и его коллеги описывают их метод отображения, названный мюонной томографией, онлайн сегодня в Трансгрессиях AIP.
“Это – гладкий метод”, говорит Кас Милнер, физик в Южном методистском университете в Далласе, Техас, кто не был вовлечен в исследование. Помимо использования радиоактивного фона, не выставляющего рабочих дополнительным источникам радиации, метод является неразрушающим: Исследователи не должны даже закрыть оборудование, изоляцию полосы прочь трубы, или войти в возможно внешнюю среду, отмечает он.
Одна возможная оборотная сторона к методу, однако, то, что требуется много времени для создания изображения. Испытания бригады показывают, что призрачные, изображения с низкой разрешающей способностью трубы из нержавеющей стали могут быть построены всего за 15 минут, но создать высококачественную модель рассматриваемого объекта может занять часы, если не дни, говорит Дархэм. Таким образом мюонная томография, вероятно, подходит лучше всего для обычных проверок или аппаратуры дозиметрического контроля на непрерывной основе вместо того, чтобы провести быстрые оценки катастрофической неудачи, отмечает он.
Метод является версией меньшего масштаба технологии, ранее разработанной в Лос-Аламосе в связи с террористическими атаками 11 сентября 2001 для поиска ядерных материалов или другой контрабанды в контейнерах для транспортировки или транспортных средствах. Та технология была коммерциализирована и теперь используется в некоторых портах, говорит Константин Бороцдин, физик в Научной Международной корпорации Решения в Поувэе, Калифорния.Компания Бороздина теперь работает для увеличения масштаба мюонной технологии томографии для поиска ядерного материала на намного более крупной арене — ядерные реакторы, разрушенные землетрясением и цунами один-два удара, хлопнувшие Фукусимой, Япония, в марте 2011. Для того усилия каждое множество мюонных датчиков измерит 7 метров на 7 метров, и они будут размещены на расстоянии приблизительно в 50 метров на противоположных сторонах стертого с лица земли реакторного здания, говорит Бороздин.
Милнер говорит, что “технология определенно имеет обещание при рассмотрении проблемы попытки определить внутреннюю конфигурацию хорошо огражденного объекта как ядерный реактор”.