تصویربرداری از پشت بتن دو متری با فناوری جدید لیزری

گروهی از فیزیک‌دانان با استفاده از لیزر ۱۰ پتاواتی مرکز ELI-NP در رومانی توانستند پرتویی از میون‌ها تولید کنند و از بلوک‌های سربی پشت دیواری به ضخامت دو متر بتن تصویربرداری کنند.

به گزارش سرویس علمی تکناک،پژوهشگران می‌گویند این آزمایش، گامی مهم برای توسعه تصویربرداری با میون‌های مصنوعی است و می‌تواند در آینده در حوزه‌هایی مانند امنیت، معدن‌کاری، بررسی سازه‌های بزرگ و مطالعه بناهای باستانی کاربرد داشته باشد.

میون‌ها ذراتی شبیه الکترون هستند، اما جرم بسیار بیشتری دارند. این ذرات در طبیعت زمانی شکل می‌گیرند که پروتون‌های پرسرعت با اتم‌های لایه‌های بالایی جو زمین برخورد می‌کنند. این برخوردها پیون‌ها را ایجاد می‌کنند و پیون‌ها نیز خیلی سریع به میون تبدیل می‌شوند. میون‌ها عمر کوتاهی دارند، اما بخشی از آنها پیش از واپاشی به سطح زمین می‌رسند.

بیشتر بخوانید: تصویربرداری با وضوح بالا بدون لنز امکان‌پذیر شد + ویدیو

چرا میون‌ها برای تصویربرداری مناسب هستند؟

جرم بالای میون‌ها باعث می‌شود این ذرات بتوانند از مواد بسیار متراکم عبور کنند. آنها حتی به اعماقی نفوذ می‌کنند که پرتوهای ایکس قادر به رسیدن به آنها نیستند. همین ویژگی باعث شده است پژوهشگران از چند دهه قبل از میون‌های کیهانی برای مشاهده ساختارهای پنهان استفاده کنند.

باستان‌شناسان و مهندسان تاکنون از میون‌هایی که به‌طور طبیعی از جو زمین می‌رسند، برای بررسی فضاهای خالی درون اهرام یا شناسایی ساختارهای زیرزمینی و ذخایر معدنی استفاده کرده‌اند.

با این حال، میون‌های طبیعی محدودیت‌های مهمی دارند. این ذرات تنها از محدوده مشخصی از زوایا به سطح زمین می‌رسند و نرخ برخورد آنها نیز پایین است. تقریبا در هر ثانیه یک میون از هر سانتی‌متر مربع عبور می‌کند. این موضوع باعث می‌شود تصویربرداری با میون‌های کیهانی زمان‌بر باشد و برای تصویربرداری سریع یا مشاهده یک سازه از زاویه جانبی مناسب نباشد.

لیزر ۱۰ پتاواتی چگونه میون تولید کرد؟

در آزمایش جدید، پژوهشگران از لیزر ۱۰ پتاواتی مرکز Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics در رومانی استفاده کردند. توان لحظه‌ای این لیزر در یک پالس بسیار کوتاه، هزاران برابر مجموع توان شبکه‌های برق جهان است.

پالس لیزر، الکترون‌ها را روی امواج الکترومغناطیسی با سرعت بسیار بالا شتاب می‌دهد. این الکترون‌ها سپس با یک مانع سربی برخورد می‌کنند و در نتیجه این برخورد، مجموعه‌ای از ذرات پرانرژی از جمله میون‌ها به وجود می‌آید.

یکی از چالش‌های اصلی آزمایش، جدا کردن میون‌ها از سایر ذرات بود. پژوهشگران برای این کار فیلتری از ورقه‌های پلی‌اتیلن و بلوک‌های پارافین ساختند. این فیلتر بخش زیادی از ذرات ناخواسته را حذف کرد و پرتویی نسبتا خالص‌تر از میون‌ها ایجاد شد.

پرتو میون سپس به سمت دیوار بتنی دو متری هدایت شد. در طرف دیگر دیوار، مجموعه‌ای از آشکارسازها داخل یک ون قرار داشت. پژوهشگران چند بلوک سربی را در مسیر پرتو قرار دادند تا بررسی کنند آیا اثر حضور آنها پس از عبور ذرات از بتن ثبت می‌شود یا خیر.

داده‌ها نشان دادند که سایه بلوک‌های سربی در آشکارسازها قابل تشخیص است. پژوهشگران بر اساس این نتیجه اعلام کردند که نخستین میوگراف رسمی را با میون‌های مصنوعی تولیدشده به‌وسیله لیزر ثبت کرده‌اند.

بیشتر بخوانید: تحول در تصویربرداری پزشکی هسته‌ای با آشکارساز کریستالی جدید

کاربردهای احتمالی تصویربرداری با میون مصنوعی

این آزمایش نخستین تلاش برای تولید میون با لیزر نیست. فیزیک‌دانان در چین، آمریکا و بریتانیا نیز پیش‌تر با روش‌های مشابه میون تولید کرده بودند و امکان‌پذیر بودن این فناوری را نشان داده بودند.

گروه دیگری به رهبری پژوهشگران آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور و دانشگاه ایالتی کلرادو نیز پالسی از ذرات تولید کرد و از وزنه‌های سربی داخل یک کامیون تصویربرداری کرد. با این حال، مشخص نبود چه تعداد از ذرات آن آزمایش واقعا میون بوده‌اند. به همین دلیل، درباره اینکه کدام آزمایش نخستین تصویر رسمی با میون مصنوعی را ثبت کرده است، همچنان بحث وجود دارد.

تصاویر جدید هنوز فاصله زیادی با عکس‌های معمولی دارند و وضوح آنها پایین است. با وجود این، پژوهشگران معتقدند توسعه بیشتر این فناوری می‌تواند به ساخت سیستم‌های کوچک‌تر و قابل‌حمل منجر شود.

چنین سیستم‌هایی در آینده می‌توانند برای بررسی ساختارهای پنهان پشت بدنه‌های فلزی ضخیم، از جمله بدنه موشک‌ها یا کشتی‌های حمل بار، استفاده شوند. این فناوری همچنین می‌تواند امکان بررسی بخش‌های داخلی کوه‌های سنگی یا پی‌های بناها و سازه‌های باستانی را فراهم کند.

برتری اصلی میون‌ها، توان بالای نفوذ آنها در مواد متراکم است. اگر سامانه‌های تولید و آشکارسازی میون کوچک‌تر و قابل‌حمل شوند، پژوهشگران می‌توانند بدون اتکا به جریان محدود میون‌های طبیعی، از زوایای مختلف اجسام و سازه‌های بزرگ را بررسی کنند.

آزمایش مرکز ELI-NP نشان می‌دهد که استفاده از لیزرهای فوق‌قدرتمند برای تولید میون از مرحله اثبات مفهوم فراتر رفته است. فناوری فعلی هنوز به تجهیزات بسیار بزرگ و پرقدرت نیاز دارد، اما ثبت تصویر از پشت دو متر بتن نشان می‌دهد که تصویربرداری با میون مصنوعی می‌تواند در آینده به ابزاری کاربردی برای مشاهده بخش‌هایی تبدیل شود که با روش‌های رایج قابل دسترسی نیستند.