Лаборатория Беркли и Ideon получили финансирование на разработку мобильного мюонного томографа

Репортаж от Wedoany，Агентство передовых исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) Министерства энергетики США (DOE) в рамках программы «Надёжная характеристика руд с помощью фундаментальных сенсоров» (ROCKS) выделило финансирование совместному проекту Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и компании Ideon Technologies. Этот трёхлетний проект направлен на визуализацию глубоких подземных месторождений с точностью, недостижимой для традиционных сенсорных технологий, что обеспечит внутренние поставки критически важных минералов — материалов, имеющих решающее значение для энергетики, промышленности и национальной безопасности США.

В основе проекта лежат мюоны — природные субатомные частицы с высокой проникающей способностью. Компания Ideon на протяжении многих лет сотрудничает с горнодобывающей отраслью, используя «пассивные» мюоны, образующиеся при столкновении космических лучей с частицами атмосферы, для картирования месторождений и изучения подземных структур. Такие мюоны достигают поверхности только сверху, что ограничивает возможности визуализации для детекторов, расположенных под рудным телом или геологической структурой; поток составляет примерно один мюон на квадратный сантиметр в минуту, а время экспозиции для получения изображения обычно занимает от нескольких дней до нескольких недель или даже месяцев — в зависимости от требуемой глубины и разрешения.

Новый проект направлен на создание высокопоточного пучка мюонов, который можно наводить на такие цели, как рудные тела, для получения высокоразрешающих 3D-изображений, сокращая время обнаружения и характеристики месторождений с месяцев до часов и ускоряя путь от открытия до добычи. Такие мюонные источники основаны на высокоэнергетических ускорителях частиц, и оборудование должно быть достаточно компактным и мобильным для применения в полевых условиях.

Как пояснил главный исследователь проекта Джероен ван Тилборг, старший научный сотрудник и заместитель директора по экспериментам Центра BELLA в составе Отдела ускорительных технологий и прикладной физики (ATAP) Лаборатории Беркли, мюоны с энергией около 10 гигаэлектронвольт (ГэВ) способны проникать сквозь примерно 20 метров горных пород, почвы и рудных слоёв; мюоны с более высокой энергией от 30 до 100 ГэВ могут проникать на глубину от 50 до более чем 100 метров.

«Активный» мюонный источник основан на технологии лазерно-плазменных ускорителей (LPA), разработанной в Центре BELLA. Мощные сверхкороткие лазерные импульсы вытесняют электроны в плазме, создавая электростатические волны (кильватерное поле), которые обеспечивают ускоряющее поле на несколько порядков выше, чем у традиционных ускорителей, разгоняя электронные пучки до энергий в несколько ГэВ на расстоянии в сантиметры. Затем электроны направляются на твёрдую мишень, генерируя пучок мюонов в три-четыре порядка интенсивнее естественного потока, сохраняя при этом энергию падающих электронов. По словам ван Тилборга, именно высокозарядный высокоэнергетический электронный драйвер, необходимый для генерации мюонного пучка, является той областью, где компактные LPA благодаря своим сверхвысоким ускоряющим градиентам и компактности могут проявить себя наилучшим образом.

Ранее Лаборатория Беркли уже продемонстрировала ускорение электронного пучка до 10 ГэВ на одной ступени на расстоянии 30 сантиметров. Текущая цель проекта — объединить две ступени LPA с энергией около 6 ГэВ каждая для достижения ускорения свыше 12 ГэВ. После завершения и снижения рисков этой многоступенчатой концепции будет подтверждён технический путь к системам на 30 ГэВ (проникновение сквозь 50 метров породы) и 100 ГэВ (проникновение на 150 метров).

Ключевыми элементами двухступенчатого ускорения являются активные плазменные линзы и высокоотражающие плазменные зеркала: первые перефокусируют электронный пучок при его переходе с одной ступени на следующую, вторые сохраняют характеристики лазера, позволяя ему продолжать возбуждать кильватерное поле в плазме следующей ступени. Оба компонента совместно обеспечивают прохождение электронного пучка через ступени с последовательным набором энергии, что критически важно для генерации глубокопроникающих мюонов, необходимых для получения высокоразрешающих изображений самых глубоких геологических целей.

Энтони Гонсалвес, штатный научный сотрудник Отдела ATAP, отметил, что многолетние инвестиции Лаборатории Беркли в исследования LPA создали технологии, сделавшие этот проект возможным. Он руководит работами по ускорителю и является экспериментальным руководителем нового мюонного проекта. По его мнению, этот проект — захватывающая возможность превратить десятилетия исследований в области ускорителей в технологию, отвечающую важным национальным потребностям, путём разработки надёжной системы для получения высокоэнергетических мюонов, необходимых для реальной подземной визуализации.

Проект реализуется тремя организациями с разделением задач. Отдел ATAP выступает ведущим по аппаратной части, применяя свой опыт в области лазерно-плазменных взаимодействий и высокоточного моделирования методом частиц в ячейках (Particle-In-Cell) для разработки двухступенчатого электронного источника на 12 ГэВ. Компания Ideon предоставляет возможности мюонной томографии и передового слияния данных для геологоразведки и горнодобывающей промышленности: её собственные массивы мюонных детекторов, физическое моделирование и геологическое программное обеспечение преобразуют сырые данные в 3D-визуализацию массовой плотности, позволяя геологам выявлять месторождения и структурные аномалии с метровым разрешением. Физический отдел Лаборатории Беркли, опираясь на десятилетия опыта в создании детекторов для коллайдеров высокоэнергетических частиц, обеспечивает мюонную инструментовку и диагностику трекинга частиц для оптимизации мюонного пучка.

Технический директор Ideon Дуглас Схаутен отметил, что проблема критически важных минералов требует более быстрых и качественных способов понимания и освоения ресурсов, в которых общество остро нуждается. Благодаря результатам проекта физика, превосходящая возможности крупнейших в мире ускорителей частиц, сможет визуализировать миллионы кубических футов горной породы за часы, а не за месяцы. Сотрудничество Ideon с такими ведущими мировыми исследовательскими институтами, как Лаборатория Беркли, выводит эту передовую возможность из лаборатории, сочетая её с передовыми сенсорными технологиями и проникающей способностью субатомных частиц, чтобы раскрыть ценность для отраслей, от которых зависит общество.

Объединяя опыт Лаборатории Беркли в области передовых ускорителей с коммерческими и передовыми квантовыми сенсорными возможностями Ideon, проект закладывает основу для более быстрой, точной и экономически эффективной характеристики минеральных ресурсов, стимулируя разработку отечественных критически важных минералов и укрепляя цепочки поставок для энергетики, промышленности и национальной безопасности. Применение этой технологии не ограничивается горнодобывающей отраслью. Система визуализации также способна выявлять подземные пустоты, трещины и полости, что даёт преимущества в гражданском строительстве и промышленной безопасности, а также влияет на национальную безопасность и критическую инфраструктуру.

Директор Отдела ATAP Кэмерон Геддес заявил, что, открывая новое направление в разработке глубокопроникающих портативных мюонных источников, проект обеспечивает лидерство США в области критически важных минеральных ресурсов, имеющих решающее значение для энергетики и экономики, опираясь на технологии, созданные за годы новаторских разработок в области ускорителей и детекторов.