生活中的拍照更完整的說法或許是：讓光子的軌跡投射出人或美景的影像。不止光子，利用電子、正電子、質(zhì)子等各種粒子的成像技術(shù)是人們“定格”的常用方法，經(jīng)常被用來反應(yīng)微觀、宏觀、致密、疏松等不同特點(diǎn)的世界。
《自然》網(wǎng)站最近登載了一種全新的粒子成像方法。這篇題為《鮮為人知粒子探測(cè)致密物質(zhì)》的報(bào)道，介紹了借用繆子的探測(cè)方法，這與拍照借用光子成像類似。科學(xué)家們利用繆子給埃及金字塔、核廢料等之前難以探明內(nèi)里的物體“摸骨”，可以做到入木三分、直擊致密材質(zhì)的深層。
“和其他粒子比較起來，繆子的穿透能力很強(qiáng)，可以穿透上千米的巖石，因此可以對(duì)體積大的、難以穿透的東西成像，而電子、光子等粒子是不可能穿透這些物質(zhì)的。”中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹俊解釋。去年11月，《自然》網(wǎng)站就報(bào)道了科學(xué)家們利用繆子探測(cè)技術(shù)在最大的埃及金字塔胡夫金字塔中發(fā)現(xiàn)此前未知的巨大空室。此外，繆子還可以用在火山內(nèi)部、廢棄核電廠的內(nèi)部構(gòu)造等探測(cè)上。
可從自然界信手拈來，也能用加速器產(chǎn)生
“繆子比較重，產(chǎn)生起來比較困難，放射性衰變、核裂變、核聚變都無法產(chǎn)生繆子。”曹俊說，繆子不像電子、光子那樣容易產(chǎn)生，人造繆子需要重大裝備才能產(chǎn)生。
自然界天然存在繆子，是由宇宙射線與大氣分子相撞產(chǎn)生的。宇宙中充斥著高能宇宙射線，它們抵達(dá)地球外層大氣時(shí)會(huì)與大氣分子發(fā)生碰撞，生成派介子，派介子再衰變成繆子和中微子。“地球表面每平方米的范圍內(nèi)每秒會(huì)落下200個(gè)宇宙線繆子。”曹俊說。
繆子性質(zhì)和電子相似，帶電荷，但質(zhì)量是電子的兩百倍。因?yàn)橘|(zhì)量大、慣性大，它在物質(zhì)中不容易轉(zhuǎn)向，因此輻射造成的能量損失比電子小，穿透比電子深得多。此外，由高速碰撞產(chǎn)生的繆子本身也帶著巨大的動(dòng)能，以高速?zèng)_向地面。高速度、高質(zhì)量使得繆子擁有“高段位”的“穿墻術(shù)”，可穿透幾公里的致密地層。
四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室是目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，其巖層厚度約2700米，在那里仍然可以探測(cè)到來自宇宙射線的繆子。
“繆子也可以用加速器產(chǎn)生，將質(zhì)子在巨大的加速器中加速，轟擊靶標(biāo)，產(chǎn)生繆子。”曹俊介紹，但這樣的加速器更像是基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施，而不是可移動(dòng)的設(shè)備，并且非常龐大和昂貴。
例如今年在東莞建設(shè)成功的散裂中子源，也是通過質(zhì)子加速器產(chǎn)生中子的。“質(zhì)子加速器同樣可以用于產(chǎn)生繆子，所以我們很快將會(huì)在東莞建立一個(gè)試驗(yàn)用的繆子源。”曹俊說。
“目前只有固定加速器能產(chǎn)生繆子，因此還不具備應(yīng)用于探測(cè)設(shè)備上的條件。”曹俊解釋，未來如果能夠把質(zhì)子加速器小型化，使其可移動(dòng)，才有可能制造出類似于CT（電子計(jì)算機(jī)斷層掃描）設(shè)備對(duì)山或大型建筑成像。“目前也有人在進(jìn)行質(zhì)子加速器小型化的研究工作，例如可以裝在卡車上的超導(dǎo)回旋加速器，但還處于研究初級(jí)階段，短時(shí)間內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)。”
在《自然》的報(bào)道中，對(duì)巖石、礦藏、火山、金字塔等進(jìn)行掃描所利用的繆子，就是從自然界“信手拈來”的，也是最方便的。
追蹤印跡不需去噪，“成像術(shù)”自動(dòng)化難
利用粒子成像的設(shè)備均可粗略概括為“三段論”：即粒子的產(chǎn)生器件、粒子與成像物體的相互作用以及粒子的示蹤。除此之外，對(duì)所有粒子示蹤信號(hào)的分析和再現(xiàn)則是非常關(guān)鍵的軟件部分。
在這樣的架構(gòu)下，無處不在的宇宙線繆子使得粒子產(chǎn)生不是設(shè)備中必需的，如何探測(cè)繆子成為研究重點(diǎn)。對(duì)繆子成像設(shè)備與系統(tǒng)的研究自1955年首個(gè)繆子測(cè)量之后從未停止。
“當(dāng)繆子經(jīng)過物質(zhì)時(shí)，不同密度的物質(zhì)對(duì)繆子的吸收能力不同，最終達(dá)到探測(cè)器的繆子數(shù)量就不同，通過不同方向測(cè)到的繆子數(shù)量，可以反推繆子走過的路是怎么樣的。”曹俊解釋繆子成像原理認(rèn)為，就好像一路全速前進(jìn)的特種兵，在翻閱溝壑、趟過密林、順流而下的不同行進(jìn)路線之后，狀態(tài)也是不一樣的。
好在繆子屬于“重型裝甲兵”，可以穿過很多層探測(cè)器，其主要的能量損失方式是電離，而不是像光子那樣整個(gè)消失。因此可以把繆子穿過每層探測(cè)器時(shí)留下的腳印串起來，看到清楚的徑跡，基本不需要去噪技術(shù)。
繆子的探測(cè)分為兩個(gè)過程：首先是粒子鑒別，即把繆子與其他粒子區(qū)別開來；然后是獲得繆子的具體參數(shù)，比如能量與方向等。
“探測(cè)繆子一般用粒子物理探測(cè)器，有很多種類。報(bào)道中提到的金字塔考古工作同時(shí)使用了核乳膠、塑料閃爍體、氣體微結(jié)構(gòu)等三種技術(shù)。”曹俊解釋，此外還有阻性板探測(cè)器等常用技術(shù)。
所用探測(cè)材質(zhì)都會(huì)通過光、電等效應(yīng)記錄下粒子的印跡。例如，核乳膠是在乳膠中分布了溴化銀等顯影物質(zhì)，帶電粒子穿過核乳膠層時(shí)，使得顯影物質(zhì)發(fā)生電離等化學(xué)變化，通過顯影定影后，可根據(jù)影像追蹤粒子的徑跡，再進(jìn)行測(cè)量。這一“成像術(shù)”更像膠片相機(jī)，不能即時(shí)得到測(cè)量結(jié)果，難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
塑料閃爍體則是一種吸收高能粒子或射線后能夠發(fā)光的材料，通過光電信號(hào)轉(zhuǎn)換后，可得到電信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)算，并有通過后續(xù)算法三維重建、可視化等潛力。
走向?qū)嶋H應(yīng)用，還需“命題作文”
“繆子成像在技術(shù)原理上并沒有太多需要研究的地方，更多地是如何讓它在應(yīng)用時(shí)更方便。”曹俊說。繆子性質(zhì)、探測(cè)方法、成像方法等相關(guān)通用性原理已經(jīng)相對(duì)較清楚，但針對(duì)某一特定問題如何更準(zhǔn)確地探測(cè)，并建立行之有效的分析算法，才能夠在工作中實(shí)踐。
由于繆子與高原子序數(shù)的核相互作用明顯，很容易用于識(shí)別較重的燃料核素，因此，將繆子成像技術(shù)用在核反應(yīng)堆的監(jiān)測(cè)上或者核走私的探查上，都能夠?qū)崿F(xiàn)安全無損的檢測(cè)。相關(guān)研究論文顯示，如果繆子成像系統(tǒng)運(yùn)用于工業(yè)集裝箱檢測(cè)，探測(cè)器的面積最好大于1平方米。在這樣的要求下，阻性板探測(cè)器優(yōu)勢(shì)更加明顯。
“最近我們?cè)诖髞啚持形⒆訉?shí)驗(yàn)室把一塊塊的探測(cè)器重新組合，從平面轉(zhuǎn)為立體，每個(gè)面放了三層阻性板，每層里面其實(shí)還由四層組成。”曹俊解釋，雖然這樣做的目的是為了探測(cè)宇宙線繆子，但是在實(shí)際應(yīng)用中也可以對(duì)集裝箱或者山成像。
每層阻性板之間將加上7600伏特的電壓，繆子穿過物質(zhì)時(shí)會(huì)使物質(zhì)電離，但電離作用太小，人是感覺不到的。阻性板加上高壓后，一有電離就會(huì)形成打火，產(chǎn)生可以記錄下來的電信號(hào)。曹俊解釋：“立方體構(gòu)造的探測(cè)裝置，可以測(cè)量各個(gè)方向來的繆子。多層設(shè)計(jì)是為了讓繆子在穿透每層探測(cè)器時(shí)都留下一個(gè)點(diǎn)，大大提高測(cè)量精確度。”
在針對(duì)實(shí)際問題的研究工作中，繆子成像方法和關(guān)鍵技術(shù)的條件與操作還需要進(jìn)行具體問題具體分析式的“命題作文”。例如在回答能否利用繆子地質(zhì)斷層成像探明礦區(qū)詳細(xì)的礦石儲(chǔ)量與分布的問題時(shí)，在給出肯定回答的同時(shí)，還需要通過實(shí)驗(yàn)確定采用哪種探測(cè)器成本更低廉、哪種分析方法更高效等具體的細(xì)節(jié)問題。(記者 張佳星)