自然に地球に衝突する亜原子粒子を使用して、X 線で作成される医療用 CT スキャンに似た産業機器の 3D 画像を作成できる可能性があることが、新しい研究で示唆されています。この技術は、パイプの腐食やコンクリートの厚い層内の劣化を明らかにする可能性があります。また、埋設されている、断熱材で覆われている、またはその他の方法でアクセスできないパイプやバルブの定期的な検査が可能になる可能性もあります。これは、機器が使用中であっても、厳重にシールドされた原子炉の奥深くにある場合でも同様です。
このようなプローブを可能にする粒子は、ミュー粒子であり、電子の重くて短命のいとこです。地球上では、ほとんどのミュー粒子は、宇宙線 (通常は太陽系の外で発生する高エネルギーの亜原子粒子) が大気に衝突し、低エネルギー粒子のカスケードを引き起こしたときに形成されます。ミューオンは電子と同じ負の電荷を持っていますが、質量は電子の 207 倍であり、崩壊して電子とニュートリノと呼ばれる粒子になるまでの時間はわずか数マイクロ秒です。平均して、毎分約 1 個のミューオンが地表の各平方センチメートルを通過します。
ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所の核物理学者で、この研究の筆頭著者である Matt Durham は、ミュオンは巨大ですが、他の物質とあまり強く相互作用しないため、数百メートルの岩石や土壌を貫通できると述べています。対照的に、より軽い電子は材料内でほぼ即座に停止し、そこでより重い陽子と原子核がそれらと非常に強く相互作用するため、粒子のシャワーに崩壊します。ミュオンの貫通能力は、物体を覗き込むのに理想的です。ミューオンが通過する物質の密度が高いほど、ミューオンは散乱し、元の経路からそらされます。
この研究では、研究者は、イメージしたい物体の両側にミューオン検出器を配置しました。次に、ミュー粒子が 1 つの検出器セット、次に物体、最後に 2 番目の検出器セットを通過する際のパスを追跡しました。ミュオンの「前」と「後」の軌道をマッピングすることで、研究者はその軌道がどれだけ偏向したかを判断できます。また、物体のさまざまな部分を通過する多くのミュー粒子の偏向を分析することで、研究者は検出器アレイ間の空間における質量の 3D 分布を数学的に推測できると、Durham 氏は述べています。この技術は、材料の X 線を遮断する能力を利用して質量分布の 2D 画像を直接作成する従来の医療用 X 線と、角度のみを使用して 3D 構造を調べる X 線回折とのハイブリッドのようなものです。結晶の。ダーラムと彼の同僚は、ミューオン トモグラフィーと呼ばれる彼らのイメージング技術について、オンライン AIP Advances で説明しています。 .
テキサス州ダラスにあるサザン メソジスト大学の物理学者で、この研究には関与していない Cas Milner 氏は、「これは巧妙な手法です」と述べています。作業者を追加の放射線源にさらさないバックグラウンド放射線を使用することに加えて、この技術は非侵襲的です。研究者は、機器をシャットダウンしたり、パイプから断熱材を剥がしたり、危険な環境に入る必要さえありません.
ただし、この手法の欠点として考えられるのは、イメージの作成に時間がかかることです。チームのテストでは、ステンレス鋼パイプの幽霊のような低解像度の画像をわずか 15 分で作成できることが示されていますが、問題のオブジェクトの高品質モデルを作成するには、数日とは言わないまでも数時間かかる可能性があるとダーラム氏は言います。したがって、ミュオン トモグラフィーは、壊滅的な障害の迅速な評価を行うよりも、定期的な検査や継続的な機器の監視におそらく最も適していると彼は述べています。
この技術は、2001 年 9 月 11 日のテロ攻撃を受けてロスアラモスで以前に開発された技術の小規模バージョンであり、輸送用コンテナまたは車両内の核物質またはその他の密輸品を検索します。その技術は商業化され、現在いくつかの港で使用されていると、カリフォルニア州ポーウェイにある Decision Sciences International Corporation の物理学者である Konstantin Borozdin は言います。
Borozdin の会社は現在、ミュオン トモグラフィー技術を拡大して、はるかに大きな領域で核物質を探すことに取り組んでいます。これは、2011 年 3 月に日本の福島を襲った地震と津波のワンツー パンチによって破壊された原子炉です。ミューオン検出器の各配列は7メートル×7メートルの大きさで、荒廃した原子炉建屋の反対側に約50メートル離して配置される、とBorozdinは言う。ミルナー氏は、「原子炉のような十分に遮蔽された物体の内部構成を決定しようとする問題を見ると、この技術は間違いなく有望です」と述べています。
