Использование мюонных рентгеновских лучей для определения состава элементов без повреждений
Сочетая технологии, первоначально разработанные для ускорителей частиц высоких энергий, и астрономических наблюдений, исследователи теперь впервые могут анализировать элементный состав образцов, не повреждая их, что может быть полезно для исследователей, работающих в других областях, таких как археология, сообщается в новом исследовании. в научных отчетах.
Рисунок 1. Трехмерное изображение образца углерода, полученное с использованием нового метода исследователя и без повреждения образца. Предоставлено: Университет Осаки.
Мюоны — одна из многих элементарных частиц во Вселенной, которые в настоящее время используются физиками в качестве пучков мюонов в экспериментах с ускорителями высоких энергий. Но исследователи в других областях также интересовались мюонами из-за их потенциала для анализа элементного состава драгоценных образцов, таких как внутренности метеоритов.
Рентгеновская флуоресцентная спектроскопия широко используется в таких областях, как археология и планетология , но она может анализировать только элементный состав образцов вблизи поверхности и не может точно определить количество легких элементов, таких как углерод.
Мюоны имеют преимущество перед современными методами. Когда отрицательный мюон захватывается облученным материалом, создается мюонный атом. Мюонные рентгеновские лучи, испускаемые новыми мюонными атомами, обладают высокой энергией и могут быть обнаружены с высокой чувствительностью, не поглощаясь самим образцом.
Регулируя энергию мюонов , ускоряемых высокоэнергетическими ускорителями, исследователи смогли анализировать образцы на одномерном уровне.
Что за команда исследователей, возглавляемая исследователем проекта Центра радиоизотопных исследований Университета Осаки И-Хуан Чиу и доцентом Казухико Ниномия, ассистентом проекта профессора Института физики и математики Вселенной Кавли Синитиро Такеда и профессором Исследовательской организации ускорителей высоких энергий. Ясухиро Мияке объединил его с двухсторонним полосковым детектором на теллуриде кадмия (CdTe-DSD), который изначально был разработан для анализа двумерных изображений для измерений жесткого рентгеновского и гамма-излучения в космосе, чтобы разработать метод, который позволяет пользователю создать трехмерное изображение элементного состава образца.
Рисунок 2. В эксперименте по визуализации используются четыре полипропиленовых шара, которые облучаются пучком отрицательных мюонов. Полученное мюонное рентгеновское излучение будет анализироваться датчиком CdTe-DSD через коллиматор с точечным отверстием для создания двумерного изображения. Предоставлено: Университет Осаки.
Рис. 3. Энергетические спектры образца и алюминиевого стенда с использованием двухстороннего полоскового детектора на теллуриде кадмия и мюонных рентгеновских лучей. Предоставлено: Университет Осаки.
Чтобы проверить свой неразрушающий трехмерный элементный анализ, основанный на мюонном рентгеновском излучении и CdTe-DSD, исследователи установили свой эксперимент на мюонном канале D2 Научного центра мюонов (MUSE) в J-PARC, ускорителе протонов высокой интенсивности объект к северу от Токио.
Установка заключалась в изготовлении двух маленьких и двух больших сферических пластиковых шаров, которые каждый раз во время облучения мюонами поворачивались с шагом 22,5 градуса. Один полный оборот создал в общей сложности 16 изображений, записанных CdTe-DSD, и алгоритм, обычно используемый в медицине, используется для реконструкции трехмерного изображения образца.
Рис. 4. Проекционные изображения образцов, полученные двухсторонним полосковым детектором CdTe под разными углами поворота, а также фактическое расположение образцов. Предоставлено: Университет Осаки.
Результаты ясно показали, что было два вида шаров разных размеров, и удалось обнаружить, что внутренняя часть состоит из углерода.
Исследователи говорят, что их метод обеспечивает важное улучшение текущего элементного анализа в различных областях и может использоваться для профилирования элементной глубины археологических образцов.
Подробности этого исследования были опубликованы в Scientific Reports 29 марта.
