Лаборатория Беркли возглавляет разработку мобильного визуализатора на основе активного источника мюонов

Лоуренс Беркли национальная лаборатория Министерства энергетики США совместно с Ideon Technologies получила финансирование от Агентства передовых исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) Министерства энергетики США. В рамках программы «Надёжная характеристика рудных тел на основе фундаментальных сенсорных технологий» (ROCKS) стороны совместно разработают развёртываемую на месте технологию визуализации на основе активного источника мюонов. Проект рассчитан на три года и направлен на повышение возможностей обнаружения и характеризации подземных критически важных минеральных ресурсов.

Источник изображения: Лоуренс Беркли национальная лаборатория

Мюоны — это субатомные частицы с высокой проникающей способностью. Ранее Ideon Technologies уже использовала в горнодобывающей отрасли «пассивные» мюоны, образующиеся в атмосфере под действием космических лучей, для визуализации рудных тел с целью картирования месторождений полезных ископаемых и анализа подземных структур. Однако пассивные мюоны поступают преимущественно сверху, что ограничивает углы детектирования; кроме того, естественный поток относительно низок — примерно один мюон на квадратный сантиметр в минуту, поэтому визуализация часто занимает от нескольких дней до недель и даже месяцев.

В рамках данного проекта планируется разработать «активный» источник мюонов, который будет направленно облучать целевые области, такие как рудные тела, высокопоточным пучком мюонов для получения трёхмерных изображений высокого разрешения. По заявлению участников проекта, эта технология позволит сократить время обнаружения и характеризации полезных ископаемых с нескольких месяцев до нескольких часов, ускоряя процесс от разведки до разработки.

Данное техническое направление опирается на лазерно-плазменный ускоритель в центре BELLA, входящем в отдел ускорительных технологий и прикладной физики Лаборатории Беркли. Такие ускорители используют интенсивные сверхкороткие лазерные импульсы для создания кильватерного поля в плазме, разгоняя электронные пучки до энергий в несколько гигаэлектронвольт на расстоянии в несколько сантиметров; затем электронный пучок бомбардирует твёрдую мишень, генерируя пучок мюонов, интенсивность которого на три-четыре порядка превышает естественный поток.

Как поясняет руководитель проекта, мюоны с энергией около 10 ГэВ способны проникать сквозь породы, почвы и рудные слои толщиной до 20 метров; мюоны с энергией в диапазоне от 30 до 100 ГэВ могут проникать сквозь объекты толщиной от 50 до более чем 100 метров. Лаборатория Беркли ранее уже продемонстрировала одноступенчатое ускорение электронного пучка до 10 ГэВ с его транспортировкой на расстояние 30 сантиметров. В рамках данного проекта планируется объединить две линейные плазменные ускорительные ступени с энергией около 6 ГэВ каждая для достижения ускорения свыше 12 ГэВ, а также для последующей верификации технического пути для систем на 30 ГэВ и 100 ГэВ.

Для реализации двухступенчатого ускорения в проекте будут использоваться активные плазменные линзы для повторной фокусировки высокоэнергетичного электронного пучка, а также высокоотражающие плазменные зеркала для сохранения характеристик лазера, что позволит передавать электронный пучок между различными ускорительными ступенями и продолжать его разгон. Эта конструкция является ключом к получению пучков мюонов с более высокой энергией и большей проникающей способностью.

Согласно распределению обязанностей, отдел ускорительных технологий и прикладной физики Лаборатории Беркли отвечает за разработку аппаратного обеспечения и двухступенчатого источника электронов на 12 ГэВ; Ideon Technologies предоставит возможности мюонной томографии, детекторные матрицы, физическое моделирование и геологическое программное обеспечение; физический отдел Лаборатории Беркли обеспечит мюонные инструменты и диагностику отслеживания частиц для оптимизации мюонного пучка.

Участники проекта считают, что помимо разведки критически важных минералов, данная технология может также применяться для выявления подземных пустот, трещин и пещер, что имеет потенциальную ценность в таких областях, как гражданское строительство, промышленная безопасность и критически важная инфраструктура.