Мюон – удивительная частица. До сих пор неясно, для чего природа его создала, поскольку многие его физические характеристики схожи с аналогичными у электрона, за исключением массы: масса мюона в 207 раз больше массы электрона. Недаром мюон часто называют тяжелым электроном. Благодаря большей массе, пробег и проникающая способность у мюонов в тысячи раз больше, чем у электронов. Максимальная глубина, где регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, – это около 8600 м водного эквивалента, что соответствует примерно 2 км скального грунта. Регистрация мюонов, прошедших через какие-либо объекты, позволяет получить изображение внутренней структуры этих объектов.

«Использование мюонов в качестве просвечивающего пучка любых объектов аналогично рентгенографии: пучок проходит через какой-то объект, и, если плотность в той или иной части объекта будет меньше, то, соответственно, там будет регистрироваться большее количество мюонов, чем в других частях объекта. Преимуществами этого метода являются его неинвазивность и использование природного источника излучения. Здесь отсутствует необходимость в дополнительном искуственном источнике излучения. Метод мюонной радиографии (МР), кроме того, стоит существенно дешевле многих других.

Так, например (см. здесь), в рамках выполнения экологических программ, направленных на снижение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, правительствами некоторых стран ведутся работы по закачке углекислого газа в подземные полости, используемые в качестве резервуаров. Главной проблемой этой технологии является поиск таких полостей. Использование метода сейсмического сканирования земных недр, называемого 4D Seismic Surveying (4SS), для обнаружения полостей, требует установки на громадных морских судах сложной аппаратуры и сейсмического оборудования, что приводит к цене такого исследования порядка 5,5 миллионов фунтов стерлингов. Благодаря использованию мюонной радиографии физикам из Шеффилдского университета удалось кардинально сократить затраты на проведение такой разведки земных недр и произвести сканирование с более высокой точностью и разрешающей способностью, нежели традиционными сейсмологическими методами. Работа финансируется Британским министерством энергетики и климатических изменений (Department of Energy and Climate Change, DECC) и компанией Premier Oil, методику сканирования земных недр методом МР для этих целей проверили в тестовом эксперименте в одной из самых глубоких шахт Великобритании – Boulby» – поясняет руководитель проекта, заведующая Лабораторией элементарных частиц ФИАН Полухина Наталья Геннадьевна.

Учёные ФИАН и НИИЯФ провели целый ряд экспериментов по внедрению методов МР-сканирования. В 2012 и 2013 гг. были осуществлены тестовые измерения на двух крупных (23 т и 40 т) металлических конструкциях, а недавно завершился «натурный» эксперимент. В качестве такого натурного объекта исследовательской группе ФИАН-НИИЯФ МГУ было предложено сканирование сейсмографической шахты Геофизической службы РАН (г. Обнинск) глубиной около 30 метров. Результаты четырехмесячного эксперимента с ЯФЭ-детекторами: измерена разность потоков мюонов на поверхности и на глубине 30 метров, согласующаяся с результатами модельных расчетов; «обнаружены» конструктивные особенности шахты, в том числе – наличие лифтового «колодца» и специфика расположения шахты в толще грунта – наличие различных по плотности слоев (земля и мраморовидный известняк). Этот успешный опыт еще раз подтвердил состоятельность предлагаемой методики МР-сканирования.

 

В настоящее время российские исследователи ведут переговоры об использовании метода МР для исследования промышленных объектов в различных регионах России. В частности, для мониторинга состояния соляных шахт месторождений, разрабатываемых в г. Соликамске и г. Березняки Пермского края. Подобный мониторинг позволит предупредить различные техногенные катастрофы, т.к. позволяет отслеживать уплотнения и места разрежений в грунте

«Вопрос поиска и разработки полезных ископаемых имеет важное стратегическое значение, и тут вряд ли возможно какое-то привлечение иностранных технологий. В России технология МР есть, и надо браться за ее применение, за внедрение результатов, полученных в ходе фундаментальных исследований, в прикладные работы.

Например, для поиска тех же углеводородов: совсем не одно и то же – пробурить несколько десятков скважин или только одну и, с помощью ЯФЭ-детектора, заложенного в нее, просмотреть тот же объем земной поверхности. Кроме того, при бурении скважин бывает, что углеводородный слой «проскочили», забив его песком, а вот МР-сканирование покажет его наличие.

Очевидно, что применение метода МР для исследования крупных промышленных и природных объектов для нашей страны должно иметь большое значение. Мы надеемся, что этот метод найдет широкое применение,» – отметила в заключение Наталья Геннадьевна.

По материалам АНИ «ФИАН-Информ»