陳 羽，杜浠爾，羅 光，趙先和，唐 健

(中山大學 物理學院，廣東 廣州 510275)

1 繆子及其來源

1.1 繆子的發(fā)現(xiàn)及其物理性質(zhì)

1936年，卡爾·安德森和賽斯·內(nèi)德梅耶在研究宇宙射線的實驗中，通過測量粒子在電磁場中的運動軌跡，發(fā)現(xiàn)了不同于電子且不同于其他已知粒子的情況，即粒子徑跡偏轉(zhuǎn)程度明顯不同[1]. 通過對該徑跡在磁場中的偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)半徑的測量，安德森等人發(fā)現(xiàn)對于同樣的運動速度，這種“未知粒子”的偏轉(zhuǎn)半徑比電子大得多，但同時又比質(zhì)子小得多. 安德森等人假定這種粒子與電子帶有相同的電荷量，由此計算出粒子質(zhì)量約為電子質(zhì)量的240倍，介于電子和質(zhì)子質(zhì)量之間，因此在當時這種粒子被命名為“介子(Mesotron)”，意為“中間的粒子”. 1937年，J. C. Street和E. C. Stevenson在云室實驗中再次觀察到了“介子”的存在[2]. 20世紀70年代，隨著粒子物理理論和實驗的發(fā)展，尤其是“標準模型(Standard model)”理論的創(chuàng)建(如圖1所示)，物理學家們發(fā)現(xiàn)這種“介子”并不存在夸克結(jié)構(gòu)，而是與電子類似的一種“點狀”基本粒子，其半徑小于10-18m[3]，后來被命名為μ子，中文亦稱為繆子、渺子等[4-6].

繆子是帶單位負電荷、自旋為1/2的基本粒子. 在標準模型中，繆子與電子和τ子具有相似的性質(zhì)，同屬于輕子的范疇，目前尚未發(fā)現(xiàn)其有任何內(nèi)部結(jié)構(gòu). 與標準模型的其他粒子類似，繆子也有與之對應(yīng)的反粒子——反繆子，其與繆子相比只是帶有相反的電荷，而質(zhì)量、自旋等其他基本物理性質(zhì)則完全相同，因此繆子與反繆子通常也被稱為負繆子(μ-)與正繆子(μ+).

圖1 粒子物理標準模型

精確實驗測量給出，繆子質(zhì)量為105.7 MeV/c2，大約為電子質(zhì)量的207倍. 在標準模型中，繆子質(zhì)量僅大于電子和中微子質(zhì)量. 繆子相互作用的性質(zhì)與電子類似，因此通常把繆子看成“加重版”的電子. 因為質(zhì)量較大，繆子在電磁場中的加速和偏轉(zhuǎn)比電子慢，在所穿過物質(zhì)中與原子核外電場發(fā)生的軔致輻射效應(yīng)也比電子少得多. 這些性質(zhì)保證繆子與相同能量的電子相比能夠穿透更厚的物質(zhì)，并且飛行徑跡的偏轉(zhuǎn)小，更接近于直線飛行. 因此，在粒子物理實驗中，繆子常常作為穿透能力強的“探針”. 在實驗裝置的外側(cè)，通過對繆子的測量得到裝置內(nèi)發(fā)生的各種產(chǎn)生繆子的反應(yīng)(圖2)，由此催生高性能繆子探測器的研究與發(fā)展. 另一方面，繆子的高穿透能力也讓其在粒子物理實驗之外得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用. 例如，繆子成像等一批繆子徑跡三維重建探測器技術(shù)，在許多學科都具有廣闊的應(yīng)用前景.

圖2 ATLAS探測器結(jié)構(gòu)

圖2為歐洲核子中心大型強子對撞機實驗中ATLAS探測器結(jié)構(gòu)[7]，其中繆子探測器包裹在其他粒子探測器的外部. 繆子探測器可精確測量質(zhì)子對撞產(chǎn)生的繆子位置和能量，從而追溯對撞產(chǎn)生新粒子及其相互作用等重要信息.

真空中，靜止的繆子通過衰變產(chǎn)生(正)電子其平均壽命約為2.2 μs. 相比于大多數(shù)極短壽命粒子如重子和介子，繆子的壽命已經(jīng)較長. 同時，高能繆子受到相對論效應(yīng)時間膨脹效應(yīng)的影響，衰變前的飛行時間和飛行距離則進一步延長. 空氣中繆子的平均衰變長度L與繆子能量E之間近似有L(km)～6 200E(TeV) 的關(guān)系[8]. 因此，實驗中能夠觀測到繆子飛行幾km的現(xiàn)象，這是繆子作為“探針”進行測量與成像的關(guān)鍵因素.

(1)

1.2 繆子的來源

繆子的壽命決定該粒子不會天然存在于自然界物質(zhì)之中. 自然界的放射性同位素會自發(fā)衰變，如β衰變能夠產(chǎn)生電子(常見的帶電輕子). 但是，同為輕子的繆子則不同. 繆子質(zhì)量遠大于常見放射性衰變的虧損能，因此繆子無法通過放射性同位素衰變產(chǎn)生. 已知繆子來源于能量更高的帶電介子(如π介子或者K介子等)衰變產(chǎn)生：

(2)

而為了獲得高能的帶電介子，目前實驗上只能通過加速帶電長壽命粒子(如質(zhì)子、電子等)至較高能量，然后打靶產(chǎn)生人造繆子源. 除此之外，來自于外太空的高能宇宙線與地球大氣相互作用也可以產(chǎn)生繆子，這也是目前唯一已知的天然繆子源[8].

1.2.1 加速器繆子

粒子物理實驗的發(fā)展促生了一大批高能粒子加速器的研發(fā). 加速器繆子源主要采用加速后的高能質(zhì)子撞擊固定的靶材料，產(chǎn)生包括帶電π介子在內(nèi)的多種高能粒子. 通過電磁篩選與分離，收集π介子至指定的衰變通道，由此得到大量的繆子，如圖3～4所示[4，9]. 目前，國際上著名的加速器繆子源有英國的ISIS中子與繆子源[10]、加拿大TRIUMF實驗室的繆子源[11]、瑞士PSI的SμS繆子源[12]、日本J-PARC加速器上的MUSE繆子科學裝置[13]以及中國散裂中子源(CSNS)計劃建設(shè)的EMuS繆子源等[9].

圖3 π介子衰變的加速器繆子源產(chǎn)生原理

圖4 中國散裂中子源計劃建設(shè)的繆子源裝置

加速器繆子源的優(yōu)點在于產(chǎn)生的繆子通量密度高(可達108cm-2·s-1甚至更高)，并且可以產(chǎn)生時間和數(shù)量可控. 通過使用繆子慢化技術(shù)、表面繆子產(chǎn)生技術(shù)等可以產(chǎn)生各種不同能量的繆子束流以滿足不同實驗的需要. 加速器繆子源的缺點在于，受質(zhì)子加速器能量的限制，產(chǎn)生的繆子能量一般不超過GeV的水平，難以提供更高能量的繆子以獲得更好的穿透能力. 此外，加速器繆子源高度依賴于高能質(zhì)子加速器，位置相對固定，不便于移動式應(yīng)用的場合.

1.2.2 宇宙線繆子

來自外太空的高能宇宙射線(主要成分為約90%的質(zhì)子、約9%的α粒子以及電子和其他重離子等)與大氣中的原子、分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生包括π介子、K介子在內(nèi)的大量高能粒子，并進一步衰變產(chǎn)生繆子等次級粒子[圖5[14]]. 高能繆子的穿透能力強、平均壽命較長，因此地表附近的繆子通量水平顯著高于其他粒子(如電子、正電子、質(zhì)子、中子等)，成為在地表測量到的宇宙射線主要成分[圖6[5]]，因而也被成為“宇宙線繆子”或“宇生繆子”.

圖5 宇宙線繆子的產(chǎn)生原理

得益于宇宙射線的高能量，宇宙線繆子本身具有很高的能量，其平均能量達到了4 GeV且最高能量超過了2 TeV. 在確定的地理位置與海拔高度的地面觀測點，宇宙線繆子的通量I(E,θz)隨繆子能量E和天頂角θz具有相對確定的分布規(guī)律(如圖7所示[4])，因此是一種天然的、廣泛分布的、相對穩(wěn)定的高能粒子源，故常常作為繆子成像等應(yīng)用的繆子源. 宇宙線繆子源的最大劣勢在于通量低，平均通量(天頂角θz=0°)僅有70/(m2·s·sr)[8]，因此，利用宇宙線繆子進行的實驗，為了達到足夠的測量精度，通常需要較長的測量時間. 同時，為了降低環(huán)境本底[15](如低能電子、正電子、γ光子等)影響，探測器需具有較好的粒子辨別能力.

圖6 宇宙線產(chǎn)生的次級粒子的垂直通量隨海拔高度的變化

圖7 地表測量得到的不同天頂角方向上的繆子通量與能量的關(guān)系

2 繆子探測與繆子成像

在了解繆子的物理性質(zhì)與來源的基礎(chǔ)上，需要對繆子與物質(zhì)的相互作用規(guī)律有充分的認識，進而研制出合適的裝置探測繆子. 作為粒子物理實驗的重要觀測對象，繆子與物質(zhì)的相互作用規(guī)律在理論和實驗測量上都已經(jīng)有了較為成熟的研究. 基于上述規(guī)律，人們提出了繆子成像技術(shù)等.

2.1 繆子與物質(zhì)的相互作用與繆子成像技術(shù)

2.1.1 繆子的電離能損

繆子是帶電粒子，因此其通過物質(zhì)時會沿徑跡與物質(zhì)中的核外電子發(fā)生庫侖相互作用，并將部分的動能傳遞給電子，從而改變原子的能量狀態(tài)，使原子發(fā)生電離或激發(fā). 在這個過程中繆子不斷地損失能量，這個過程稱為繆子的“電離能損”，單位路徑(質(zhì)量厚度)上的平均能量損失可以用Bethe-Bloth公式[5]來描述：

(3)

其中K為常數(shù)，z=1為入射繆子所帶的單位電荷量，me和c分別為電子質(zhì)量和光速. 對于被入射的物質(zhì)，Z和A分別為繆子所穿過物質(zhì)的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)，Wmax為繆子與原子碰撞時所能傳遞給1個電子的最大動能，I為所穿過物質(zhì)原子的平均激發(fā)能，δ為物質(zhì)密度效應(yīng)的修正因子，上述參量對于給定的物質(zhì)都是常量. 對于入射的繆子，β和γ分別為入射繆子的相對論速度和相對論因子. 圖8為不同能量(動量)的繆子與銅材料相互作用的電離能損dE/dx規(guī)律[包含Bethe公式描述的電離能損，“輻射效應(yīng)”引起的能量損失][5]. 從圖8可看出，在1～100 GeV范圍內(nèi)，繆子的電離能損dE/dx接近最小值且變化不大. 隨著繆子能量的降低，電離能損dE/dx逐漸增大，最終繆子停留在入射材料中衰變成(正)電子.

圖8 繆子在銅材料中的單位路徑上的能量損失dE/dx(亦稱為阻止本領(lǐng))與入射繆子的動量關(guān)系

由于繆子的質(zhì)量較大，在100 GeV以下的能量段，繆子軔致輻射等輻射效應(yīng)產(chǎn)生的能量損失遠小于電離能損，并且其徑跡幾乎為直線. 因此，通過式(3)可以計算出被入射物質(zhì)一定的條件下，不同能量Ec的繆子入射時的平均最大穿透距離——射程：

(4)

2.1.2 繆子的多次庫侖散射偏轉(zhuǎn)

繆子撞擊物質(zhì)中的電子從而發(fā)生庫侖相互作用，繆子運動方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)是由許多小角度的庫侖散射累積形成. 在穿過質(zhì)量厚度x的物質(zhì)后，繆子散射角度θ分布可以用Moliere理論描述[16]，該分布近似為高斯分布，中心值在零附近，均方根為

(5)

其中，z=1為入射繆子所帶的單位電荷量，p和βc則分別為入射繆子的動量和速度.X0為被入射物質(zhì)的輻射長度，與密度、原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)有關(guān). 因此，測量繆子入射前后散射角度的分布，可以反推被入射物質(zhì)的原子序數(shù)、密度等信息，這是繆子散射成像技術(shù)的另一個理論基礎(chǔ).

2.1.3 繆子成像的原理

通過對繆子的能損和散射規(guī)律的認識，結(jié)合繆子的穿透性強和徑跡近似為直線的特點，近幾年繆子探針成像技術(shù)得到迅速發(fā)展，尤其是高能宇宙線繆子的應(yīng)用技術(shù). 根據(jù)應(yīng)用場景和探測器結(jié)構(gòu)的不同，繆子成像技術(shù)大致分為“透射成像”和“散射成像”，分別利用穿透繆子的數(shù)量和偏轉(zhuǎn)角來重建被入射物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，如圖9所示[17]，紅色區(qū)域為原子序數(shù)Z較大的重物質(zhì)部分.

(a)透射成像 (b)散射成像圖9 繆子成像

1)透射成像：亦稱為繆子吸收成像. 穿透介質(zhì)的繆子所具有的最小能量Ec(X)與繆子徑跡的質(zhì)量厚度X相關(guān)，因此在被測物體(如山體、建筑物等)背側(cè)固定的天頂角θz處，測量宇宙線繆子穿透物體后的通量衰減系數(shù)為

(6)

即可反推得到被測物體的質(zhì)量厚度X的分布.Nμ,att(θz)和Nμ,ori(θz)分別為單位時間內(nèi)穿透和入射被測物體的宇宙線繆子總數(shù)(乘以探測器面積和立體角)，而后者則可以通過在相近地理位置的開闊環(huán)境下對天頂角θz的宇宙線繆子進行測量得到. 圖10給出了繆子透射成像的原理[18]，圖11為穿過不同厚度的巖石后的宇宙線繆子通量的衰減系數(shù)[8].

圖10 火山內(nèi)部結(jié)構(gòu)的繆子透射成像

圖11 宇宙線繆子衰減系數(shù)與被穿透巖石厚度的關(guān)系(仿真值)

宇宙線繆子擁有數(shù)十m乃至數(shù)百m的穿透能力，宇宙線繆子透射成像應(yīng)用在地質(zhì)結(jié)構(gòu)和建筑等大尺寸物體的三維重構(gòu). 為了利用有限的探測器面積對大尺寸物體進行高位置分辨率的測量，繆子探測器通常使用“望遠鏡”結(jié)構(gòu)——使用平行放置的多層位置靈敏探測器平面對入射繆子的徑跡方向進行測量，如圖12～13所示[18]. 當探測器與被測物體(如山體)的距離為L時，被測山體上的位置分辨率ΔX受探測器的“角分辨率”ΔΦ影響，即由探測器平面間的最大距離l和單層探測器位置分辨率Δx決定：

在荷蘭林堡省南部地區(qū)，煤炭資源的開采有著數(shù)百年的歷史。在19世紀，煤炭已實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模開采。到1902年，多數(shù)煤田和煤礦開采權(quán)都最終集中在荷蘭國家礦業(yè)公司（DSM）旗下。20世紀上半葉，以煤炭（副）產(chǎn)物作為原材料的下游化工企業(yè)在荷蘭的格林地區(qū)逐漸興起，首先衍生出來的是焦炭和煤氣行業(yè)，不久之后，芳烴、乙烯、氫氣、氨氣、化肥等行業(yè)也陸續(xù)出現(xiàn)。第二次世界大戰(zhàn)后，DSM進一步對化工行業(yè)進行強化和拓展，包括建造石腦油裂解裝置，利用乙烯、丙烯單體來合成聚乙烯、聚丙烯等。1973年，DSM關(guān)閉了旗下最后一塊煤礦。

(7)

另一方面，為了能夠抑制環(huán)境本底和噪聲在單個探測器平面中引起的誤觸發(fā)，通常采用多個探測器平面同時觸發(fā)(即符合測量)作為入射繆子的判別條件，同時可對入射繆子徑跡方向能夠提供更精確的測量. 這樣在給定探測器平面尺寸w的條件下，入射繆子的最大接受角為

(8)

因此，針對繆子透射成像的探測器設(shè)計，一方面需研制大尺寸w(幾m2甚至更大)、小位置分辨率Δx(<1 cm)的探測器平面，另一方面需合理設(shè)計平面間距l(xiāng)獲得更好的角分辨率(一般在10～100 mrad)，且平衡接受角(>1 rad)帶來的影響.

圖12 利用多層探測器平面組成的“望遠鏡”結(jié)構(gòu)

圖13 望遠鏡結(jié)構(gòu)的角分辨率與最大接受角的關(guān)系

2)散射成像：利用繆子入射物質(zhì)前后的徑跡偏轉(zhuǎn)角度分布，反推被入射物質(zhì)的材料信息(原子序數(shù)Z、質(zhì)量數(shù)A、密度ρ等). 在被測物體的上方和下方各放置若干層位置靈敏的探測器平面，分別對每一個宇宙線繆子入射和出射的位置以及徑跡方向進行測量. 基于不同位置入射宇宙線繆子的偏轉(zhuǎn)情況，通過極大似然法等統(tǒng)計學重建方法[19]，最終可對物體內(nèi)各空間位置上的物質(zhì)分布進行成像. 不同于繆子透射成像得到沿繆子徑跡方向的二維投影信息，繆子散射成像能夠直接對被測物體的三維結(jié)構(gòu)進行測量，因而有時也被稱為繆子斷層掃描成像. 高原子序數(shù)Z的繆子散射角均方根較大(如10 cm厚的鈾、鉛等重金屬能夠?qū)?～4 GeV的繆子產(chǎn)生20 mrad的散射角均方根[20])，因此繆子散射成像在核材料管控、反應(yīng)堆與乏燃料監(jiān)測等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用. 繆子散射成像結(jié)構(gòu)圖如圖14所示，成像結(jié)果如圖15所示，上方紅色的區(qū)域為鉛材料[19].

圖14 繆子散射成像結(jié)構(gòu)圖

圖15 被成像的汽車模型及其重建后的成像結(jié)果

成像所需的關(guān)鍵物理量是繆子的散射角，因此繆子散射成像同樣需要探測器平面具有極佳的角分辨率，往往需要能夠達到mrad的量級. 因此，探測器本身的位置分辨率需要達到mm甚至百μm的水平. 另一方面，探測器平面需要同時在被測物體兩側(cè)進行繆子徑跡測量，因此也需要使用足夠大面積的探測器平面，以便覆蓋盡可能大的測量區(qū)域.

與其他的諸如X光、γ射線、中子等成像方法相比，宇宙線繆子作為探針的成像技術(shù)具有其獨特的優(yōu)勢：

1)采用天然的粒子源，無需使用額外的放射源，測量過程無輻射危險；

2)成像過程是對被測物體采取遠距離地、非侵入式地測量，有利于對活火山等危險地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行探測，有利于避免破壞大型古建筑等；

3)高能繆子穿透能力強，能夠?qū)?shù)十m厚的山體或數(shù)十m深的地下結(jié)構(gòu)進行測量，也能對厚屏蔽材料內(nèi)的物質(zhì)進行測量；

如前所述，由于宇宙線繆子的通量水平較低，往往需要較長的測量時間(幾h到幾十d不等)才能獲得較好的圖像質(zhì)量，因此繆子成像技術(shù)通常需要大面積的探測系統(tǒng)進行長時間穩(wěn)定測量，并且能夠提供小于100 mrad水平的角分辨率. 考慮應(yīng)用場景是野外、洞穴、地下等相對惡劣的溫濕度工作環(huán)境，繆子成像探測器需要具備低功耗、數(shù)據(jù)采集自動化、可遠程控制等性能. 這些要求對于繆子探測器的設(shè)計與運行都是挑戰(zhàn).

2.2 繆子探測器的主要類型及其原理

粒子物理實驗技術(shù)的發(fā)展，誕生了一大批種類各異、性能優(yōu)異的粒子探測器及其信號讀出電路系統(tǒng)，為繆子探測應(yīng)用提供了多種可行的技術(shù)手段. 由于繆子本身是帶電粒子，即使穿過很薄的探測器介質(zhì)，仍然能夠通過電離產(chǎn)生能量沉積并被信號讀出電路探測. 因此，繆子探測器一般不需要大體積靶物質(zhì)即可獲得足夠的探測效率. 目前，主流的繆子探測器主要圍繞著擴大探測面積、提高徑跡的位置分辨率而展開，主要有3種探測器類型：閃爍體探測器、氣體探測器和核乳膠探測器[8].

2.2.1 閃爍探測器

透明的無機或有機閃爍體晶體，可將入射繆子沉積能量轉(zhuǎn)化為可見光光子，被晶體表面的光電轉(zhuǎn)換器件如光電倍增管、硅光電倍增器件等接收并轉(zhuǎn)換為電信號輸出. 有機閃爍體主要成分為聚苯乙烯塑料配以熒光劑摻雜，具有機械加工容易、結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，能夠適應(yīng)不同測量和應(yīng)用場合. 為了獲得高位置分辨率，閃爍探測器平面通常采用截面尺寸在mm級別的閃爍體條排列而成，如圖16所示[21-22]. 不過，受到晶體加工極限以及閃爍光收集效率的限制，閃爍探測器的位置分辨率目前只能達到cm級及mm級的水準，探測系統(tǒng)通常達到的角分辨率為10～100 mrad的水平.

(a) Mu-RAY實驗

(b)DIAPHANE實驗圖16 繆子透射成像使用的閃爍探測器

2.2.2 氣體探測器

與閃爍探測器類似，氣體探測器也是常見的繆子探測器. 入射繆子在絕緣工作氣體(如氮氣、氬氣等)中電離產(chǎn)生電子-離子對，在高壓電場作用下向電極漂移產(chǎn)生電信號，從而提供入射繆子的位置、能量和時間信息. 氣體探測器在結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)較大的探測面積，并且價格便宜. 隨著新型高位置分辨率的氣體探測器結(jié)構(gòu)如氣體電子倍增器、微網(wǎng)氣體探測器、多氣隙阻性板探測器等的研制成功(如圖17[23-24])，氣體探測器對入射繆子的位置分辨率能夠達到幾百μm的水平，明顯優(yōu)于閃爍探測器. 但氣體探測器的最大缺點在于氣體系統(tǒng)相對復雜，如何在復雜的溫度和氣壓環(huán)境下保持探測器性能的長期穩(wěn)定性將是難點.

(a) 微網(wǎng)氣體探測器

(b) 多氣隙阻性板探測器圖17 繆子測量的氣體探測器

2.2.3 核乳膠探測器

核乳膠探測器是歷史最悠久的探測器類型之一，依靠感光膠片對入射繆子的徑跡進行記錄，并且利用多層膠片之間的曝光位置來確定入射繆子的徑跡(圖18[25]～19[8]). 核乳膠探測器具有很高的位置分辨率(最佳位置分辨率可小于1 μm)，進而可以實現(xiàn)極佳的入射角分辨率(<10 mrad)，同時在測量過程中不需要讀出電路和供電，探測系統(tǒng)簡單. 因此，核乳膠探測器非常適用于繆子成像技術(shù). 核乳膠探測器最大的缺陷在于，成像過程是非實時的. 該類型探測器只能在一段時間內(nèi)對入射繆子的累積測量，成像后需要進行復雜的顯像和徑跡分析過程才能得到入射繆子的信息，并且所得到的徑跡缺乏時間信息. “固化”的徑跡，決定了核乳膠探測器無法實現(xiàn)動態(tài)成像，也難以實現(xiàn)多個探測器模塊之間的符合測量.

圖18 核乳膠探測器的徑跡重建

(a)水平方向入射

(b)垂直方向入射圖19 繆子入射單層核乳膠膠片時留下的徑跡

3 繆子探測的跨學科應(yīng)用

得益于高性能繆子探測器的成功研制，繆子成像技術(shù)在建筑測量[26-28]、火山測量[29-30]、斷裂帶測量[31]、冰川測量[32]、地下勘礦[33]、地下水勘測[34-35]、天然洞穴探測[36-37]、核材料監(jiān)控[38-39]、乏燃料監(jiān)測[40-41]、反應(yīng)堆監(jiān)控[42]等眾多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用.

3.1 建筑學應(yīng)用

宇宙線繆子透射成像對大型建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行非破壞性研究，可追溯至20世紀70年代. 來自來Berkeley的研究團隊利用氣體火花室對吉薩金字塔中的隱藏墓室進行了測量和研究[43]. 2017年日本名古屋大學Kunihiro Morishima和法國HIP研究所Mehdi Tayoubi領(lǐng)導的團隊，分別使用日本高能加速器研究機構(gòu)(KEK)研制的閃爍探測器和法國原子能委員會(CEA)研制的Micromegas氣體探測器，放置在金字塔外的不同位置，通過測量穿過金字塔的宇宙線繆子通量變化確定了胡夫金字塔內(nèi)隱藏墓室的存在[26]. 圖20為閃爍探測器的測量結(jié)果，圖20(a)～(b)為實測繆子通量分布，高通量部分顯示了國王墓室和主甬道. 通過仿真扣除上述已知結(jié)構(gòu)引起的繆子通量變化之后[見圖20(c)～(d)]，在黃框部分可以看到繆子通量的顯著超出[見圖20(e)～(f)]，預示著隱藏墓室的存在. 圖21為Micromegas氣體探測量結(jié)果，2組氣體探測器均在相同的位置處發(fā)現(xiàn)了繆子通量的超出. 該研究成果在考古學領(lǐng)域和粒子物理領(lǐng)域都引起了轟動.

圖20 閃爍探測器測量結(jié)果

圖21 Micromegas氣體探測器的測量結(jié)果

除了金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像之外，繆子成像技術(shù)還應(yīng)用在其他大型建筑物的結(jié)構(gòu)成像之中. 例如，法國CEA的Saclay研究所利用移動式Micromegas探測器對研究所的水塔進行了成像(如圖22所示)[27，43]；2014年意大利國家核物理研究所(INFN)為了研究布雷西亞的Palazzo della Loggia宮殿穹頂?shù)膬?nèi)部結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性，使用塑料閃爍體繆子探測器進行成像掃描，如圖23所示[28]. 宇宙線繆子成像可對大面積建筑結(jié)構(gòu)進行非破壞式測量，并且一般若干天即可完成測量. 因此，在大型古建筑的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)斷裂等情況的監(jiān)測方面，該技術(shù)具有較大的優(yōu)勢.

(a) (b)圖22 法國CEA的Saclay研究所研制的移動式Micromegas探測器及其對研究所水塔的成像

3.2 地質(zhì)學與地球物理應(yīng)用

宇宙線繆子成像技術(shù)在地球科學中最典型的應(yīng)用是對火山活動情況的監(jiān)測. 繆子探測器可遠距離快速測量大型地質(zhì)結(jié)構(gòu). 相比于傳統(tǒng)的地質(zhì)測量方法(如電阻率測量、重力計測量、地震波測量等)，繆子成像技術(shù)得到的位置分辨相對較高(10 mrad角分辨率的探測器能夠在距離被測物體1 km的位置處得到10 m水平的空間分辨率)、測量時間較短(通常在數(shù)天左右). 因此，該技術(shù)可以實現(xiàn)對被測物體的動態(tài)成像與監(jiān)視，例如火山活動、斷裂帶發(fā)展等.

(a) (b)圖23 意大利INFN研制的閃爍體探測器及其對Palazzo della Loggia宮殿穹頂?shù)某上?/p>

日本東京大學Hiroyuki Tanaka研究組是較早開展宇宙線繆子火山成像監(jiān)測的研究組之一. 該研究組利用研制的塑料閃爍體繆子探測器和核乳膠探測器，分別對多個日本活火山口附近的巖漿活動情況完成成像研究(如圖24～25所示)[29，44]. 除此之外，法國里昂大學Marteau領(lǐng)導的DIAPHANE合作組[30]、意大利INFN實驗室Mu-RAY合作組[21]、法國國家核物理與粒子物理研究院(IN2P3)的TOMUVOL合作組[45]等，分別研制各種不同的閃爍體和氣體探測器，對歐洲多個活火山進行測量,測量結(jié)果與傳統(tǒng)重力計的測量結(jié)果相符合，并且具有更高的空間分辨率[46-47].

圖24 閃爍體探測器對Satsuma-Iwojima活火山熔巖的動態(tài)成像及其地質(zhì)學解釋

圖25 核乳膠探測器測量到的繆子徑跡及其對Showa-Shinzan活火山口密度的成像

除了火山監(jiān)測，利用宇宙線繆子能夠穿透數(shù)十m巖層的特點，繆子成像還應(yīng)用在斷裂帶的監(jiān)視、地下水的勘測、地下礦脈和天然洞穴的探測. 其中，東京大學Tanaka研究組研制的塑料閃爍體探測器，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功耗低的特點. 該探測器在地下和巖洞等惡劣環(huán)境中能夠長期穩(wěn)定的工作，便于開展地質(zhì)測量，如圖26～29所示.

圖26 DIAPHANE合作組使用塑料閃爍體對Soufriere of Guadeloupe Dome山體進行的測量

圖27 TOMUVOL合作組使用的阻性板氣體探測器及其對Puy de Dome活火山的成像

圖28 利用宇宙線繆子監(jiān)測斷裂帶巖石密度的變化

圖29 放置在地下水層之下的地下通道中的塑料閃爍體探測器用于測量地下水位的變化

宇宙線繆子具有分布廣泛和穿透能力強的優(yōu)勢，基于望遠鏡結(jié)構(gòu)的繆子透射成像探測器對大尺度物體的直接投影成像已經(jīng)實現(xiàn). 未來，繆子成像技術(shù)也將在大型地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變化的測量中發(fā)揮越來越廣泛的應(yīng)用，為地球科學研究的開展提供強有力的實驗測量手段.

3.3 核材料與核反應(yīng)堆監(jiān)控

伴隨著核科學與核能技術(shù)領(lǐng)域的高速發(fā)展，以鈾、釷、钚等重核為代表的核材料得到日益廣泛的應(yīng)用. 隨之而來，核擴散威脅和潛在的安全風險不容忽視. 當今反恐怖主義形勢日益嚴峻，核材料運輸?shù)臋z測變得極其重要. 正是在這種時代背景下，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)早在2003年就提出了利用宇宙線繆子對重核材料進行成像(如圖30)，并在Nature上發(fā)表了研究結(jié)果[38，48].

(a) 實測結(jié)果與仿真對比，中央?yún)^(qū)域為鎢元素、兩側(cè)為鋼

(b) 氣體漂移室探測器的水平繆子散射成像裝置圖30 美國LANL國家實驗室研制用于核材料監(jiān)測的繆子散射成像裝置

核材料含有高原子序數(shù)Z的重核元素，因此繆子散射成像能夠提供良好的物質(zhì)分辨和成像能力. 自LANL發(fā)表成果以來，世界各國的合作組紛紛開始利用宇宙線繆子斷層成像技術(shù)開展核材料成像應(yīng)用. 比較有代表的案例是意大利INFN的Muon Portal標準集裝箱成像裝置(如圖31所示)[49]，以及加拿大CRIPT合作組針對航空集裝箱研制的無損監(jiān)測裝置(如圖32所示)[50]. 兩者均采用精細切割的閃爍體陣列來實現(xiàn)10 mrad水平的空間角分辨率. 與此同時，國內(nèi)清華大學[20]和北京大學[51-52]基于阻性板探測器，在探測器平面上實現(xiàn)100 μm以下的高位置分辨能力(如圖33～34所示). 隨著探測器制造技術(shù)以及讀出電路技術(shù)的不斷發(fā)展，繆子散射成像將在更大面積上實現(xiàn)更高的位置分辨能力，同時，在如何控制系統(tǒng)復雜度及多通道信號的有效讀出方法等方面也將不斷取得進步.

圖31 Muon Portal全尺寸集裝箱成像裝置效果圖

圖32 CRIPT探測器對鉛磚的成像實驗結(jié)果

圖33 清華大學繆子散射成像裝置實物圖(基于多氣隙阻性板MRPC)

圖34 北京大學高位置分辨繆子成像裝置(基于阻性板RPC和延遲鏈讀出結(jié)構(gòu))

除了核材料的監(jiān)測，核反應(yīng)堆運行狀況以及乏燃料監(jiān)測也是繆子成像的一個重要應(yīng)用方向. 出于核安全考慮，核燃料棒通常儲存在由混凝土和鉛等厚屏蔽體包裹的封閉區(qū)域內(nèi)，常規(guī)探測手段很難直接進行測量. 高穿透性宇宙線繆子則為上述應(yīng)用提供了有效的探針. 在乏燃料監(jiān)測方面，LANL的散射成像裝置能夠?qū)ξ挥诤衿帘误w內(nèi)的不同燃料組分的燃料棒進行準確的成像和定位，從而在不破壞屏蔽體的條件下可對所儲存的乏燃料棒成分及其泄漏情況進行實時監(jiān)測[40]. 另一方面，對于大尺寸核反應(yīng)堆(如發(fā)生事故的日本福島核電站)，一般的有源散射成像裝置難以完全覆蓋整個被測區(qū)域. 因此，LANL研究組通過在反應(yīng)堆附近放置多個透射成像的探測器平面來組成“斷層成像”系統(tǒng)，同時利用繆子的透射和散射情況來對反應(yīng)堆內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進行成像. 經(jīng)過6周的連續(xù)測量，散射成像結(jié)果能夠清楚發(fā)現(xiàn)高密度堆芯(Core)區(qū)域，以及在堆芯中上方和下部分別存在的直徑1 m左右的空泡(Void)結(jié)構(gòu)，最終LANL研究組成功地測量到了反應(yīng)堆芯區(qū)域及其中上部和下方的直徑1 m的空泡區(qū)域(圖35～36). 至此，在利用宇宙線繆子開展反應(yīng)堆堆芯監(jiān)測方向上又增添新的案例[42].

(a) (b)圖35 繆子散射成像裝置對滿燃料棒(黑色)和空燃料棒(紅色)的成像結(jié)果

4 結(jié)束語

繆子的發(fā)現(xiàn)、繆子性質(zhì)的認識和繆子探測技術(shù)的研究，受益于粒子物理理論與實驗技術(shù)的長足發(fā)展. 繆子探測技術(shù)在多個不同學科領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為基礎(chǔ)研究與社會生活的有機結(jié)合提供了成功的案例. 受篇幅所限，本文尚未講述加速器繆源方面應(yīng)用，例如繆子自旋技術(shù)μSR(μ spin rotation, relaxation and resonance)在材料科學尤其是微觀磁性結(jié)構(gòu)和超導體研究中擁有重要應(yīng)用前景[9]，繆子催化聚變(Muon catalyzed fusion, μCF)在聚變能源和中子源方面的研究與應(yīng)用[11]，等等. 時至今日，繆子的物理性質(zhì)和探測手段仍然是粒子物理領(lǐng)域的研究熱點之一. 未來繆子探測及其相關(guān)技術(shù)將為更多學科領(lǐng)域提供更加豐富的應(yīng)用.