缪子探测及其多学科应用

陈 羽，杜浠尔，罗 光，赵先和，唐 健

(中山大学 物理学院，广东 广州 510275)

1 缪子及其来源

1.1 缪子的发现及其物理性质

1936年，卡尔·安德森和赛斯·内德梅耶在研究宇宙射线的实验中，通过测量粒子在电磁场中的运动轨迹，发现了不同于电子且不同于其他已知粒子的情况，即粒子径迹偏转程度明显不同[1]. 通过对该径迹在磁场中的偏转方向和偏转半径的测量，安德森等人发现对于同样的运动速度，这种“未知粒子”的偏转半径比电子大得多，但同时又比质子小得多. 安德森等人假定这种粒子与电子带有相同的电荷量，由此计算出粒子质量约为电子质量的240倍，介于电子和质子质量之间，因此在当时这种粒子被命名为“介子(Mesotron)”，意为“中间的粒子”. 1937年，J. C. Street和E. C. Stevenson在云室实验中再次观察到了“介子”的存在[2]. 20世纪70年代，随着粒子物理理论和实验的发展，尤其是“标准模型(Standard model)”理论的创建(如图1所示)，物理学家们发现这种“介子”并不存在夸克结构，而是与电子类似的一种“点状”基本粒子，其半径小于10-18m[3]，后来被命名为μ子，中文亦称为缪子、渺子等[4-6].

缪子是带单位负电荷、自旋为1/2的基本粒子. 在标准模型中，缪子与电子和τ子具有相似的性质，同属于轻子的范畴，目前尚未发现其有任何内部结构. 与标准模型的其他粒子类似，缪子也有与之对应的反粒子——反缪子，其与缪子相比只是带有相反的电荷，而质量、自旋等其他基本物理性质则完全相同，因此缪子与反缪子通常也被称为负缪子(μ-)与正缪子(μ+).

图1 粒子物理标准模型

精确实验测量给出，缪子质量为105.7 MeV/c2，大约为电子质量的207倍. 在标准模型中，缪子质量仅大于电子和中微子质量. 缪子相互作用的性质与电子类似，因此通常把缪子看成“加重版”的电子. 因为质量较大，缪子在电磁场中的加速和偏转比电子慢，在所穿过物质中与原子核外电场发生的轫致辐射效应也比电子少得多. 这些性质保证缪子与相同能量的电子相比能够穿透更厚的物质，并且飞行径迹的偏转小，更接近于直线飞行. 因此，在粒子物理实验中，缪子常常作为穿透能力强的“探针”. 在实验装置的外侧，通过对缪子的测量得到装置内发生的各种产生缪子的反应(图2)，由此催生高性能缪子探测器的研究与发展. 另一方面，缪子的高穿透能力也让其在粒子物理实验之外得到了越来越多的关注和应用. 例如，缪子成像等一批缪子径迹三维重建探测器技术，在许多学科都具有广阔的应用前景.

图2 ATLAS探测器结构

图2为欧洲核子中心大型强子对撞机实验中ATLAS探测器结构[7]，其中缪子探测器包裹在其他粒子探测器的外部. 缪子探测器可精确测量质子对撞产生的缪子位置和能量，从而追溯对撞产生新粒子及其相互作用等重要信息.

真空中，静止的缪子通过衰变产生(正)电子其平均寿命约为2.2 μs. 相比于大多数极短寿命粒子如重子和介子，缪子的寿命已经较长. 同时，高能缪子受到相对论效应时间膨胀效应的影响，衰变前的飞行时间和飞行距离则进一步延长. 空气中缪子的平均衰变长度L与缪子能量E之间近似有L(km)～6 200E(TeV) 的关系[8]. 因此，实验中能够观测到缪子飞行几km的现象，这是缪子作为“探针”进行测量与成像的关键因素.

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1.2 缪子的来源

缪子的寿命决定该粒子不会天然存在于自然界物质之中. 自然界的放射性同位素会自发衰变，如β衰变能够产生电子(常见的带电轻子). 但是，同为轻子的缪子则不同. 缪子质量远大于常见放射性衰变的亏损能，因此缪子无法通过放射性同位素衰变产生. 已知缪子来源于能量更高的带电介子(如π介子或者K介子等)衰变产生：

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而为了获得高能的带电介子，目前实验上只能通过加速带电长寿命粒子(如质子、电子等)至较高能量，然后打靶产生人造缪子源. 除此之外，来自于外太空的高能宇宙线与地球大气相互作用也可以产生缪子，这也是目前唯一已知的天然缪子源[8].

1.2.1 加速器缪子

粒子物理实验的发展促生了一大批高能粒子加速器的研发. 加速器缪子源主要采用加速后的高能质子撞击固定的靶材料，产生包括带电π介子在内的多种高能粒子. 通过电磁筛选与分离，收集π介子至指定的衰变通道，由此得到大量的缪子，如图3～4所示[4，9]. 目前，国际上著名的加速器缪子源有英国的ISIS中子与缪子源[10]、加拿大TRIUMF实验室的缪子源[11]、瑞士PSI的SμS缪子源[12]、日本J-PARC加速器上的MUSE缪子科学装置[13]以及中国散裂中子源(CSNS)计划建设的EMuS缪子源等[9].

图3 π介子衰变的加速器缪子源产生原理

图4 中国散裂中子源计划建设的缪子源装置

加速器缪子源的优点在于产生的缪子通量密度高(可达108cm-2·s-1甚至更高)，并且可以产生时间和数量可控. 通过使用缪子慢化技术、表面缪子产生技术等可以产生各种不同能量的缪子束流以满足不同实验的需要. 加速器缪子源的缺点在于，受质子加速器能量的限制，产生的缪子能量一般不超过GeV的水平，难以提供更高能量的缪子以获得更好的穿透能力. 此外，加速器缪子源高度依赖于高能质子加速器，位置相对固定，不便于移动式应用的场合.

1.2.2 宇宙线缪子

来自外太空的高能宇宙射线(主要成分为约90%的质子、约9%的α粒子以及电子和其他重离子等)与大气中的原子、分子发生碰撞，产生包括π介子、K介子在内的大量高能粒子，并进一步衰变产生缪子等次级粒子[图5[14]]. 高能缪子的穿透能力强、平均寿命较长，因此地表附近的缪子通量水平显著高于其他粒子(如电子、正电子、质子、中子等)，成为在地表测量到的宇宙射线主要成分[图6[5]]，因而也被成为“宇宙线缪子”或“宇生缪子”.

图5 宇宙线缪子的产生原理

得益于宇宙射线的高能量，宇宙线缪子本身具有很高的能量，其平均能量达到了4 GeV且最高能量超过了2 TeV. 在确定的地理位置与海拔高度的地面观测点，宇宙线缪子的通量I(E,θz)随缪子能量E和天顶角θz具有相对确定的分布规律(如图7所示[4])，因此是一种天然的、广泛分布的、相对稳定的高能粒子源，故常常作为缪子成像等应用的缪子源. 宇宙线缪子源的最大劣势在于通量低，平均通量(天顶角θz=0°)仅有70/(m2·s·sr)[8]，因此，利用宇宙线缪子进行的实验，为了达到足够的测量精度，通常需要较长的测量时间. 同时，为了降低环境本底[15](如低能电子、正电子、γ光子等)影响，探测器需具有较好的粒子辨别能力.

图6 宇宙线产生的次级粒子的垂直通量随海拔高度的变化

图7 地表测量得到的不同天顶角方向上的缪子通量与能量的关系

2 缪子探测与缪子成像

在了解缪子的物理性质与来源的基础上，需要对缪子与物质的相互作用规律有充分的认识，进而研制出合适的装置探测缪子. 作为粒子物理实验的重要观测对象，缪子与物质的相互作用规律在理论和实验测量上都已经有了较为成熟的研究. 基于上述规律，人们提出了缪子成像技术等.

2.1 缪子与物质的相互作用与缪子成像技术

2.1.1 缪子的电离能损

缪子是带电粒子，因此其通过物质时会沿径迹与物质中的核外电子发生库仑相互作用，并将部分的动能传递给电子，从而改变原子的能量状态，使原子发生电离或激发. 在这个过程中缪子不断地损失能量，这个过程称为缪子的“电离能损”，单位路径(质量厚度)上的平均能量损失可以用Bethe-Bloth公式[5]来描述：

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其中K为常数，z=1为入射缪子所带的单位电荷量，me和c分别为电子质量和光速. 对于被入射的物质，Z和A分别为缪子所穿过物质的原子序数和质量数，Wmax为缪子与原子碰撞时所能传递给1个电子的最大动能，I为所穿过物质原子的平均激发能，δ为物质密度效应的修正因子，上述参量对于给定的物质都是常量. 对于入射的缪子，β和γ分别为入射缪子的相对论速度和相对论因子. 图8为不同能量(动量)的缪子与铜材料相互作用的电离能损dE/dx规律[包含Bethe公式描述的电离能损，“辐射效应”引起的能量损失][5]. 从图8可看出，在1～100 GeV范围内，缪子的电离能损dE/dx接近最小值且变化不大. 随着缪子能量的降低，电离能损dE/dx逐渐增大，最终缪子停留在入射材料中衰变成(正)电子.

图8 缪子在铜材料中的单位路径上的能量损失dE/dx(亦称为阻止本领)与入射缪子的动量关系

由于缪子的质量较大，在100 GeV以下的能量段，缪子轫致辐射等辐射效应产生的能量损失远小于电离能损，并且其径迹几乎为直线. 因此，通过式(3)可以计算出被入射物质一定的条件下，不同能量Ec的缪子入射时的平均最大穿透距离——射程：

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2.1.2 缪子的多次库仑散射偏转

缪子撞击物质中的电子从而发生库仑相互作用，缪子运动方向会发生偏转，这种偏转是由许多小角度的库仑散射累积形成. 在穿过质量厚度x的物质后，缪子散射角度θ分布可以用Moliere理论描述[16]，该分布近似为高斯分布，中心值在零附近，均方根为

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其中，z=1为入射缪子所带的单位电荷量，p和βc则分别为入射缪子的动量和速度.X0为被入射物质的辐射长度，与密度、原子序数和质量数有关. 因此，测量缪子入射前后散射角度的分布，可以反推被入射物质的原子序数、密度等信息，这是缪子散射成像技术的另一个理论基础.

2.1.3 缪子成像的原理

通过对缪子的能损和散射规律的认识，结合缪子的穿透性强和径迹近似为直线的特点，近几年缪子探针成像技术得到迅速发展，尤其是高能宇宙线缪子的应用技术. 根据应用场景和探测器结构的不同，缪子成像技术大致分为“透射成像”和“散射成像”，分别利用穿透缪子的数量和偏转角来重建被入射物质的结构，如图9所示[17]，红色区域为原子序数Z较大的重物质部分.

(a)透射成像 (b)散射成像图9 缪子成像

1)透射成像：亦称为缪子吸收成像. 穿透介质的缪子所具有的最小能量Ec(X)与缪子径迹的质量厚度X相关，因此在被测物体(如山体、建筑物等)背侧固定的天顶角θz处，测量宇宙线缪子穿透物体后的通量衰减系数为

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即可反推得到被测物体的质量厚度X的分布.Nμ,att(θz)和Nμ,ori(θz)分别为单位时间内穿透和入射被测物体的宇宙线缪子总数(乘以探测器面积和立体角)，而后者则可以通过在相近地理位置的开阔环境下对天顶角θz的宇宙线缪子进行测量得到. 图10给出了缪子透射成像的原理[18]，图11为穿过不同厚度的岩石后的宇宙线缪子通量的衰减系数[8].

图10 火山内部结构的缪子透射成像

图11 宇宙线缪子衰减系数与被穿透岩石厚度的关系(仿真值)

宇宙线缪子拥有数十m乃至数百m的穿透能力，宇宙线缪子透射成像应用在地质结构和建筑等大尺寸物体的三维重构. 为了利用有限的探测器面积对大尺寸物体进行高位置分辨率的测量，缪子探测器通常使用“望远镜”结构——使用平行放置的多层位置灵敏探测器平面对入射缪子的径迹方向进行测量，如图12～13所示[18]. 当探测器与被测物体(如山体)的距离为L时，被测山体上的位置分辨率ΔX受探测器的“角分辨率”ΔΦ影响，即由探测器平面间的最大距离l和单层探测器位置分辨率Δx决定：

在荷兰林堡省南部地区，煤炭资源的开采有着数百年的历史。在19世纪，煤炭已实现工业化大规模开采。到1902年，多数煤田和煤矿开采权都最终集中在荷兰国家矿业公司（DSM）旗下。20世纪上半叶，以煤炭（副）产物作为原材料的下游化工企业在荷兰的格林地区逐渐兴起，首先衍生出来的是焦炭和煤气行业，不久之后，芳烃、乙烯、氢气、氨气、化肥等行业也陆续出现。第二次世界大战后，DSM进一步对化工行业进行强化和拓展，包括建造石脑油裂解装置，利用乙烯、丙烯单体来合成聚乙烯、聚丙烯等。1973年，DSM关闭了旗下最后一块煤矿。

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另一方面，为了能够抑制环境本底和噪声在单个探测器平面中引起的误触发，通常采用多个探测器平面同时触发(即符合测量)作为入射缪子的判别条件，同时可对入射缪子径迹方向能够提供更精确的测量. 这样在给定探测器平面尺寸w的条件下，入射缪子的最大接受角为

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因此，针对缪子透射成像的探测器设计，一方面需研制大尺寸w(几m2甚至更大)、小位置分辨率Δx(<1 cm)的探测器平面，另一方面需合理设计平面间距l获得更好的角分辨率(一般在10～100 mrad)，且平衡接受角(>1 rad)带来的影响.

图12 利用多层探测器平面组成的“望远镜”结构

图13 望远镜结构的角分辨率与最大接受角的关系

2)散射成像：利用缪子入射物质前后的径迹偏转角度分布，反推被入射物质的材料信息(原子序数Z、质量数A、密度ρ等). 在被测物体的上方和下方各放置若干层位置灵敏的探测器平面，分别对每一个宇宙线缪子入射和出射的位置以及径迹方向进行测量. 基于不同位置入射宇宙线缪子的偏转情况，通过极大似然法等统计学重建方法[19]，最终可对物体内各空间位置上的物质分布进行成像. 不同于缪子透射成像得到沿缪子径迹方向的二维投影信息，缪子散射成像能够直接对被测物体的三维结构进行测量，因而有时也被称为缪子断层扫描成像. 高原子序数Z的缪子散射角均方根较大(如10 cm厚的铀、铅等重金属能够对3～4 GeV的缪子产生20 mrad的散射角均方根[20])，因此缪子散射成像在核材料管控、反应堆与乏燃料监测等领域有着重要的应用. 缪子散射成像结构图如图14所示，成像结果如图15所示，上方红色的区域为铅材料[19].

图14 缪子散射成像结构图

图15 被成像的汽车模型及其重建后的成像结果

成像所需的关键物理量是缪子的散射角，因此缪子散射成像同样需要探测器平面具有极佳的角分辨率，往往需要能够达到mrad的量级. 因此，探测器本身的位置分辨率需要达到mm甚至百μm的水平. 另一方面，探测器平面需要同时在被测物体两侧进行缪子径迹测量，因此也需要使用足够大面积的探测器平面，以便覆盖尽可能大的测量区域.

与其他的诸如X光、γ射线、中子等成像方法相比，宇宙线缪子作为探针的成像技术具有其独特的优势：

1)采用天然的粒子源，无需使用额外的放射源，测量过程无辐射危险；

2)成像过程是对被测物体采取远距离地、非侵入式地测量，有利于对活火山等危险地质结构进行探测，有利于避免破坏大型古建筑等；

3)高能缪子穿透能力强，能够对数十m厚的山体或数十m深的地下结构进行测量，也能对厚屏蔽材料内的物质进行测量；

如前所述，由于宇宙线缪子的通量水平较低，往往需要较长的测量时间(几h到几十d不等)才能获得较好的图像质量，因此缪子成像技术通常需要大面积的探测系统进行长时间稳定测量，并且能够提供小于100 mrad水平的角分辨率. 考虑应用场景是野外、洞穴、地下等相对恶劣的温湿度工作环境，缪子成像探测器需要具备低功耗、数据采集自动化、可远程控制等性能. 这些要求对于缪子探测器的设计与运行都是挑战.

2.2 缪子探测器的主要类型及其原理

粒子物理实验技术的发展，诞生了一大批种类各异、性能优异的粒子探测器及其信号读出电路系统，为缪子探测应用提供了多种可行的技术手段. 由于缪子本身是带电粒子，即使穿过很薄的探测器介质，仍然能够通过电离产生能量沉积并被信号读出电路探测. 因此，缪子探测器一般不需要大体积靶物质即可获得足够的探测效率. 目前，主流的缪子探测器主要围绕着扩大探测面积、提高径迹的位置分辨率而展开，主要有3种探测器类型：闪烁体探测器、气体探测器和核乳胶探测器[8].

2.2.1 闪烁探测器

透明的无机或有机闪烁体晶体，可将入射缪子沉积能量转化为可见光光子，被晶体表面的光电转换器件如光电倍增管、硅光电倍增器件等接收并转换为电信号输出. 有机闪烁体主要成分为聚苯乙烯塑料配以荧光剂掺杂，具有机械加工容易、结构设计灵活、性能稳定等优点，能够适应不同测量和应用场合. 为了获得高位置分辨率，闪烁探测器平面通常采用截面尺寸在mm级别的闪烁体条排列而成，如图16所示[21-22]. 不过，受到晶体加工极限以及闪烁光收集效率的限制，闪烁探测器的位置分辨率目前只能达到cm级及mm级的水准，探测系统通常达到的角分辨率为10～100 mrad的水平.

(a) Mu-RAY实验

(b)DIAPHANE实验图16 缪子透射成像使用的闪烁探测器

2.2.2 气体探测器

与闪烁探测器类似，气体探测器也是常见的缪子探测器. 入射缪子在绝缘工作气体(如氮气、氩气等)中电离产生电子-离子对，在高压电场作用下向电极漂移产生电信号，从而提供入射缪子的位置、能量和时间信息. 气体探测器在结构上容易实现较大的探测面积，并且价格便宜. 随着新型高位置分辨率的气体探测器结构如气体电子倍增器、微网气体探测器、多气隙阻性板探测器等的研制成功(如图17[23-24])，气体探测器对入射缪子的位置分辨率能够达到几百μm的水平，明显优于闪烁探测器. 但气体探测器的最大缺点在于气体系统相对复杂，如何在复杂的温度和气压环境下保持探测器性能的长期稳定性将是难点.

(a) 微网气体探测器

(b) 多气隙阻性板探测器图17 缪子测量的气体探测器

2.2.3 核乳胶探测器

核乳胶探测器是历史最悠久的探测器类型之一，依靠感光胶片对入射缪子的径迹进行记录，并且利用多层胶片之间的曝光位置来确定入射缪子的径迹(图18[25]～19[8]). 核乳胶探测器具有很高的位置分辨率(最佳位置分辨率可小于1 μm)，进而可以实现极佳的入射角分辨率(<10 mrad)，同时在测量过程中不需要读出电路和供电，探测系统简单. 因此，核乳胶探测器非常适用于缪子成像技术. 核乳胶探测器最大的缺陷在于，成像过程是非实时的. 该类型探测器只能在一段时间内对入射缪子的累积测量，成像后需要进行复杂的显像和径迹分析过程才能得到入射缪子的信息，并且所得到的径迹缺乏时间信息. “固化”的径迹，决定了核乳胶探测器无法实现动态成像，也难以实现多个探测器模块之间的符合测量.

图18 核乳胶探测器的径迹重建

(a)水平方向入射

(b)垂直方向入射图19 缪子入射单层核乳胶胶片时留下的径迹

3 缪子探测的跨学科应用

得益于高性能缪子探测器的成功研制，缪子成像技术在建筑测量[26-28]、火山测量[29-30]、断裂带测量[31]、冰川测量[32]、地下勘矿[33]、地下水勘测[34-35]、天然洞穴探测[36-37]、核材料监控[38-39]、乏燃料监测[40-41]、反应堆监控[42]等众多领域中都有着广泛的应用.

3.1 建筑学应用

宇宙线缪子透射成像对大型建筑内部结构进行非破坏性研究，可追溯至20世纪70年代. 来自来Berkeley的研究团队利用气体火花室对吉萨金字塔中的隐藏墓室进行了测量和研究[43]. 2017年日本名古屋大学Kunihiro Morishima和法国HIP研究所Mehdi Tayoubi领导的团队，分别使用日本高能加速器研究机构(KEK)研制的闪烁探测器和法国原子能委员会(CEA)研制的Micromegas气体探测器，放置在金字塔外的不同位置，通过测量穿过金字塔的宇宙线缪子通量变化确定了胡夫金字塔内隐藏墓室的存在[26]. 图20为闪烁探测器的测量结果，图20(a)～(b)为实测缪子通量分布，高通量部分显示了国王墓室和主甬道. 通过仿真扣除上述已知结构引起的缪子通量变化之后[见图20(c)～(d)]，在黄框部分可以看到缪子通量的显著超出[见图20(e)～(f)]，预示着隐藏墓室的存在. 图21为Micromegas气体探测量结果，2组气体探测器均在相同的位置处发现了缪子通量的超出. 该研究成果在考古学领域和粒子物理领域都引起了轰动.

图20 闪烁探测器测量结果

图21 Micromegas气体探测器的测量结果

除了金字塔内部结构成像之外，缪子成像技术还应用在其他大型建筑物的结构成像之中. 例如，法国CEA的Saclay研究所利用移动式Micromegas探测器对研究所的水塔进行了成像(如图22所示)[27，43]；2014年意大利国家核物理研究所(INFN)为了研究布雷西亚的Palazzo della Loggia宫殿穹顶的内部结构与稳定性，使用塑料闪烁体缪子探测器进行成像扫描，如图23所示[28]. 宇宙线缪子成像可对大面积建筑结构进行非破坏式测量，并且一般若干天即可完成测量. 因此，在大型古建筑的稳定性、结构断裂等情况的监测方面，该技术具有较大的优势.

(a) (b)图22 法国CEA的Saclay研究所研制的移动式Micromegas探测器及其对研究所水塔的成像

3.2 地质学与地球物理应用

宇宙线缪子成像技术在地球科学中最典型的应用是对火山活动情况的监测. 缪子探测器可远距离快速测量大型地质结构. 相比于传统的地质测量方法(如电阻率测量、重力计测量、地震波测量等)，缪子成像技术得到的位置分辨相对较高(10 mrad角分辨率的探测器能够在距离被测物体1 km的位置处得到10 m水平的空间分辨率)、测量时间较短(通常在数天左右). 因此，该技术可以实现对被测物体的动态成像与监视，例如火山活动、断裂带发展等.

(a) (b)图23 意大利INFN研制的闪烁体探测器及其对Palazzo della Loggia宫殿穹顶的成像

日本东京大学Hiroyuki Tanaka研究组是较早开展宇宙线缪子火山成像监测的研究组之一. 该研究组利用研制的塑料闪烁体缪子探测器和核乳胶探测器，分别对多个日本活火山口附近的岩浆活动情况完成成像研究(如图24～25所示)[29，44]. 除此之外，法国里昂大学Marteau领导的DIAPHANE合作组[30]、意大利INFN实验室Mu-RAY合作组[21]、法国国家核物理与粒子物理研究院(IN2P3)的TOMUVOL合作组[45]等，分别研制各种不同的闪烁体和气体探测器，对欧洲多个活火山进行测量,测量结果与传统重力计的测量结果相符合，并且具有更高的空间分辨率[46-47].

图24 闪烁体探测器对Satsuma-Iwojima活火山熔岩的动态成像及其地质学解释

图25 核乳胶探测器测量到的缪子径迹及其对Showa-Shinzan活火山口密度的成像

除了火山监测，利用宇宙线缪子能够穿透数十m岩层的特点，缪子成像还应用在断裂带的监视、地下水的勘测、地下矿脉和天然洞穴的探测. 其中，东京大学Tanaka研究组研制的塑料闪烁体探测器，具有结构稳定、功耗低的特点. 该探测器在地下和岩洞等恶劣环境中能够长期稳定的工作，便于开展地质测量，如图26～29所示.

图26 DIAPHANE合作组使用塑料闪烁体对Soufriere of Guadeloupe Dome山体进行的测量

图27 TOMUVOL合作组使用的阻性板气体探测器及其对Puy de Dome活火山的成像

图28 利用宇宙线缪子监测断裂带岩石密度的变化

图29 放置在地下水层之下的地下通道中的塑料闪烁体探测器用于测量地下水位的变化

宇宙线缪子具有分布广泛和穿透能力强的优势，基于望远镜结构的缪子透射成像探测器对大尺度物体的直接投影成像已经实现. 未来，缪子成像技术也将在大型地质结构及其变化的测量中发挥越来越广泛的应用，为地球科学研究的开展提供强有力的实验测量手段.

3.3 核材料与核反应堆监控

伴随着核科学与核能技术领域的高速发展，以铀、钍、钚等重核为代表的核材料得到日益广泛的应用. 随之而来，核扩散威胁和潜在的安全风险不容忽视. 当今反恐怖主义形势日益严峻，核材料运输的检测变得极其重要. 正是在这种时代背景下，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)早在2003年就提出了利用宇宙线缪子对重核材料进行成像(如图30)，并在Nature上发表了研究结果[38，48].

(a) 实测结果与仿真对比，中央区域为钨元素、两侧为钢

(b) 气体漂移室探测器的水平缪子散射成像装置图30 美国LANL国家实验室研制用于核材料监测的缪子散射成像装置

核材料含有高原子序数Z的重核元素，因此缪子散射成像能够提供良好的物质分辨和成像能力. 自LANL发表成果以来，世界各国的合作组纷纷开始利用宇宙线缪子断层成像技术开展核材料成像应用. 比较有代表的案例是意大利INFN的Muon Portal标准集装箱成像装置(如图31所示)[49]，以及加拿大CRIPT合作组针对航空集装箱研制的无损监测装置(如图32所示)[50]. 两者均采用精细切割的闪烁体阵列来实现10 mrad水平的空间角分辨率. 与此同时，国内清华大学[20]和北京大学[51-52]基于阻性板探测器，在探测器平面上实现100 μm以下的高位置分辨能力(如图33～34所示). 随着探测器制造技术以及读出电路技术的不断发展，缪子散射成像将在更大面积上实现更高的位置分辨能力，同时，在如何控制系统复杂度及多通道信号的有效读出方法等方面也将不断取得进步.

图31 Muon Portal全尺寸集装箱成像装置效果图

图32 CRIPT探测器对铅砖的成像实验结果

图33 清华大学缪子散射成像装置实物图(基于多气隙阻性板MRPC)

图34 北京大学高位置分辨缪子成像装置(基于阻性板RPC和延迟链读出结构)

除了核材料的监测，核反应堆运行状况以及乏燃料监测也是缪子成像的一个重要应用方向. 出于核安全考虑，核燃料棒通常储存在由混凝土和铅等厚屏蔽体包裹的封闭区域内，常规探测手段很难直接进行测量. 高穿透性宇宙线缪子则为上述应用提供了有效的探针. 在乏燃料监测方面，LANL的散射成像装置能够对位于厚屏蔽体内的不同燃料组分的燃料棒进行准确的成像和定位，从而在不破坏屏蔽体的条件下可对所储存的乏燃料棒成分及其泄漏情况进行实时监测[40]. 另一方面，对于大尺寸核反应堆(如发生事故的日本福岛核电站)，一般的有源散射成像装置难以完全覆盖整个被测区域. 因此，LANL研究组通过在反应堆附近放置多个透射成像的探测器平面来组成“断层成像”系统，同时利用缪子的透射和散射情况来对反应堆内部的结构进行成像. 经过6周的连续测量，散射成像结果能够清楚发现高密度堆芯(Core)区域，以及在堆芯中上方和下部分别存在的直径1 m左右的空泡(Void)结构，最终LANL研究组成功地测量到了反应堆芯区域及其中上部和下方的直径1 m的空泡区域(图35～36). 至此，在利用宇宙线缪子开展反应堆堆芯监测方向上又增添新的案例[42].

(a) (b)图35 缪子散射成像装置对满燃料棒(黑色)和空燃料棒(红色)的成像结果

4 结束语

缪子的发现、缪子性质的认识和缪子探测技术的研究，受益于粒子物理理论与实验技术的长足发展. 缪子探测技术在多个不同学科领域的成功应用，为基础研究与社会生活的有机结合提供了成功的案例. 受篇幅所限，本文尚未讲述加速器缪源方面应用，例如缪子自旋技术μSR(μ spin rotation, relaxation and resonance)在材料科学尤其是微观磁性结构和超导体研究中拥有重要应用前景[9]，缪子催化聚变(Muon catalyzed fusion, μCF)在聚变能源和中子源方面的研究与应用[11]，等等. 时至今日，缪子的物理性质和探测手段仍然是粒子物理领域的研究热点之一. 未来缪子探测及其相关技术将为更多学科领域提供更加丰富的应用.