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user: 3. 宇宙线μ在成像技术应用领域 3.1. 火山监测 日本，意大利，法国和哥伦比亚等国家陆续将μ子透射成像技术用于火山监测。在1995年，日本东京大学Nagamine K等人研发了简易塑料闪烁体μ子探测器，进行了Tsukuba山内部结构探测 [ 2 ]。之后东京大学H. Tanaka等人对北海道Showa-Shinzan熔岩穹丘 [ 3 ] (2007年)、Asama火山 [ 4 ] (2009年，见图1)、Sakurajima火山 [ 5 ] (2018年)进行了试验测量。意大利的MU-RAY、法国的DIAPHANE、TOMUVOL等多个项目组也开展了相关研究。2013年，TOMUVOL和MU-RAY合作对Puy de Dôme不活跃火山使用两种探测器进行了测量 [ 6 ]。2017年，DIAPHANE对Soufrière of Guadeloupe活火山以及地下隧道进行了探测 [ 7 ]。哥伦比亚对μ子成像应用于火山学也展开了初步研究，2019年，I. D. Guerrero等人对在Galeras火山附近布置探测器进行了设计研究 [ 8 ]。 火山监测是宇宙线μ子透射成像技术应用的主要领域之一，通过数月的μ子数据信息收集，可以探测火山的内部组成，提供岩体的不同密度信息。 图1. 宇宙线μ子探测器的位置 3.2. 矿产勘查 早在1979年，L. Malmqvist等人就研究了μ子成像技术在采矿勘探中的应用可行性，并将传统的布置在隧道内的探测装置与可放置在狭小钻井内的装置进行了比较 [ 9 ]。2014年，Nyrstar公司对加拿大Myra Falls矿的含锌、铜、铅、银的火山成因硫化物矿床进行了勘探。2015年，Teck公司对美国密西西比河谷型(Mississippi Valley Type， MVT)铅锌矿进行了成像。2018年，CRM GeoTomography Technologies公司使用μ子成像技术对位于加拿大McArthur河的铀矿进行了成像(见图2)。同年，Guglielmo Baccani等人采用MIMA探测器(Muon Imaging for Mining and Archaeology)，对位于Tuscany的Temperino矿进行了测量。 在实际测量中，探测器的大小、探测区域的密度差以及观测时间均会对测量产生明显影响。放置在隧道内的探测器适合寻找已知矿体的延伸区，而寻找新的矿体则需要微型钻孔探测器。 3.3. 冰川测量 对采用地球物理方法对冰川进行勘探通常是在其表面开展的，因此对冰和基岩的边界分辨率较低。2015年，R. Nishiyama等人首次将宇宙线μ子成像技术应用于冰川研究，测量了瑞士阿尔卑斯山Aletsch冰川的基岩结构 [ 10 ]。2017年，R. Nishiyama等人在瑞士Eiger峰下方的Jungfraubahn铁路的三个不同位置进行了探测，见图3 [ 11 ]。联合不同位置得到的三个二维图像，可以得到基岩–冰川界面的三维成像。基于岩石和冰的密度差异，可以重建基岩形状。 图2. McArthur河铀矿600米深度矿壁、探测器位置(立方体)和密度剖面图 图3. μ子通量随岩石厚度变化的衰减情况。数据点的不同颜色代表了μ子到达探测器的不同天顶角，实型圆圈代表穿过基岩和冰的μ子，空心圆圈代表只穿过基岩的μ子，实线代表穿过密度为的岩石的μ子通量的理论值 3.4. 金字塔探测 1969年，美国诺贝尔物理学奖获得者Luis W. Alvarez等人测量了埃及Giza金字塔和Chephren金字塔的内部结构，这是宇宙线μ子成像技术首次被应用于考古学 [ 12 ]。μ子技术还被应用于探测位于墨西哥的世界第三大金字塔–太阳金字塔(Pyramid of the Sun)，结果表明在金字塔南面存在一个低密度区，可能是由于金字塔该区域的结构较弱 [ 13 ]。2017年，日本名古屋大学的Kunihiro Morishima等利用μ子对埃及最大的金字塔——胡夫金字塔进行了成像。此次探测使用了核乳剂探测器(见图4)、闪烁体探测器和气体探测器三种探测器，将三种探测器获取的数据进行对比，发现了之前未被发现的巨大密室，该成果被发表于《Nature》杂志 [ 14 ]。 图4. 核乳剂探测器数据分析 3.5. 断层和水文地质 2011年，H. Tanaka等人在日本Itoigawa-Shizuoka大断裂通过测量断层带周围的降水渗透来探测地下断层，在强降雨之后，雨水下渗引起目标体密度增大，可对目标体的可渗透区域进行宇宙线μ子成像 [ 15 ]。2014年，F. Hivert等人将μ子成像应用于测量水文地质过程造成的岩石密度变化。对于不同的置信度，可以测量的最大深度不同。同时研究结果表明，在不含高Z元素的情况下，相对于密度变化，岩石的元素组成对μ子通量的变化影响可以忽略 [ 16 ]。 3.6. CO 2 地质封存监测 2012年，Vitaly A. Kudryavtsev等人建立了地质封存室模型，研究了μ子成像技术用于CO 2 封存监测的可行性 [ 17 ]。2015年，J. Klinger等人通过建立数值模型，分析了μ子探测器对CO 2 注入有良好的敏感性 [ 18 ]。2018年，Jon Gluyas等人通过建立模型研究了μ子成像应用于CO 2 地质封存监测的可行性，并开发了一套可持续监测的μ子成像装置 [ 19 ]。 在二氧化碳地质封存监测方面，μ子探测器可放置于钻井孔内来实施监测。探测器需要在含盐、高温的复杂地质环境下工作。封存室深度至少为1 km且探测器要持续监测几十至上百年。 3.7. 核安全 2003年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory， LANL)的Konstantin N. Borozdin等人在基于μ子的多重库伦散射特性对钨质圆柱体及其两条钢轨支架进行了成像，该结果被发表于《Nature》 [ 20 ]。LANL先后提出了PoCA (The Point of Closest Approach)、MLSD (Maximum Likelihood Scattering and Displacement)、MAP (Maximum A Posteriori)等算法，搭建了探测器并开展了实验，对不同材料(如W，Fe，Al)进行了识别成像 [ 21 ]，将μ子散射成像技术用于货车的核材料等检查。2008年，LANL把技术转让给美国决策科学公司(Decision Science Corporation， DSC)，DSC开发出了用于货车和集装箱监测的多种成像模式被动探测系统(Multi Mode Passive Detection System， MMPDS)。2017年，LANL的D. Poulson等人首次将滤波反投影算法(filtered back projection algorithms)用于宇宙线μ子散射成像，基于Geant4模拟平台对乏燃料储存容器进行了成像 [ 22 ]。日本东芝公司和LANL合作利用μ子成像技术对福岛核反应堆芯进行了成像，观测到了堆芯内出现的空洞 [ 23 ]。意大利核物理研究院(Istituto Nazionale di FisicaNucleare， INFN)提出了μ子门禁项目(The Muon Portal Project)。2017年，F. Riggi等人在μ子门禁项目中，用μ子探测器对集装箱进行了高Z物质识别成像 [ 24 ]。加拿大核能实验室成立了CRIPT (Cosmic-Ray Inspection and Passive Tomography)合作组，研制了探测器装置对集装箱中的高Z材料进行了探测。2019年，加拿大核能实验室的Oleg Kamaev等人研究了γ能谱、中子计数和μ子散射成像技术的互补效果 [ 25 ]。英国AWE (Atomic Weapon Establishment)和Bristol大学、Glasgow大学合作研制了阻性板探测器(RPC)和闪烁光纤探测器，并对算法进行了改进，开发出了多元数据分析等算法 [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]。国内，清华大学开展了利用μ子对高Z物质的识别成像研究，研制了阻性板探测器(RPC)和多气隙阻性板探测器(MRPC)，实现了PoCA、MLSD等经典算法 [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]。北京大学 [ 32 ] [ 33 ]、中国科学技术大学 [ 34 ] [ 35 ]、中国原子能科学研究院 [ 36 ] [ 37 ] 等也开展了μ子成像装置及算法的研究工作。