La tomografía de muones o muografía es una técnica que utiliza muones de rayos cósmicos para generar imágenes bidimensionales o tridimensionales de volúmenes utilizando información contenida en la dispersión de Coulomb de los muones. Dado que los muones son mucho más penetrantes que los rayos X , la tomografía de muones se puede utilizar para obtener imágenes a través de un material mucho más grueso que la tomografía basada en rayos X, como la tomografía computarizada . El flujo de muones en la superficie de la Tierra es tal que un solo muón pasa a través de un área del tamaño de una mano humana por segundo. [1]
Desde su desarrollo en la década de 1950, la tomografía de muones ha adoptado muchas formas, las más importantes de las cuales son la radiografía de transmisión de muones y la tomografía de dispersión de muones.
La muografía utiliza muones rastreando la cantidad de muones que pasan a través del volumen objetivo para determinar la densidad de la estructura interna inaccesible. La muografía es una técnica similar en principio a la radiografía (imagen con rayos X ) pero capaz de estudiar objetos mucho más grandes. Dado que es menos probable que los muones interactúen, se detengan y se descompongan en materia de baja densidad que en materia de alta densidad, una mayor cantidad de muones viajará a través de las regiones de baja densidad de los objetos objetivo en comparación con las regiones de mayor densidad. Los aparatos registran la trayectoria de cada evento para producir un muograma que muestra la matriz de los números resultantes de muones transmitidos después de haber atravesado objetos de hasta varios kilómetros de espesor. La estructura interna del objeto, representada en términos de densidad, se muestra convirtiendo muogramas en imágenes muográficas.
Se están desarrollando aparatos de tomografía de muones para detectar material nuclear en vehículos de transporte por carretera y contenedores de carga con fines de no proliferación . [2] [3] Otra aplicación es el uso de la tomografía de muones para monitorear posibles sitios subterráneos utilizados para el secuestro de carbono . [1]
El término tomografía de muones se basa en la palabra "tomografía", una palabra resultante de la combinación del griego antiguo tomos "cortar" y graphe "dibujo". La técnica produce imágenes transversales (no imágenes de proyección) de objetos a gran escala que no se pueden visualizar con radiografía convencional. [ cita necesaria ] Por lo tanto, algunos autores ven esta modalidad como un subconjunto de la muografía.
La muografía fue nombrada por Hiroyuki KM Tanaka . [4] [5] Hay dos explicaciones para el origen de la palabra "muografía": (A) una combinación de la partícula elemental muón y el griego γραφή (graphé) "dibujo", [6] sugiriendo juntos el significado "dibujar con muones"; y (B) una combinación abreviada de " muón " y " radiografía ". [7] Aunque estas técnicas están relacionadas, se diferencian en que la radiografía utiliza rayos X para obtener imágenes del interior de objetos en la escala de metros, mientras que la muografía utiliza muones para obtener imágenes del interior de objetos en la escala de hectómetros a kilómetros. [8]
Veinte años después de que Carl David Anderson y Seth Neddermeyer descubrieran que los muones se generaban a partir de rayos cósmicos en 1936, [9] el físico australiano EP George hizo el primer intento conocido de medir la densidad superficial de la capa de roca del túnel Guthega -Munyang (parte del el Plan Hidroeléctrico de las Montañas Nevadas ) con muones de rayos cósmicos. [10] Utilizó un contador Geiger . Aunque logró medir la densidad del área de la capa de roca colocada sobre el detector, e incluso igualó con éxito el resultado de las muestras de núcleos , debido a la falta de sensibilidad direccional en el contador Geiger, la obtención de imágenes fue imposible.
En un famoso experimento de la década de 1960, Luis Álvarez utilizó imágenes de transmisión de muones para buscar cámaras ocultas en la pirámide de Kephren en Giza , aunque no se encontró ninguna en ese momento; [11] un esfuerzo posterior descubrió [12] un vacío previamente desconocido en la Gran Pirámide . En todos los casos se utilizó la información sobre la absorción de los muones como medida del espesor del material atravesado por las partículas de rayos cósmicos.
El primer muograma fue producido en 1970 por un equipo dirigido por el físico estadounidense Luis Walter Álvarez , [13] quien instaló aparatos de detección en la Cámara Belzoni de la Pirámide de Kefrén para buscar habitaciones ocultas dentro de la estructura. Registró el número de muones después de atravesar la pirámide. Con la invención de esta técnica de seguimiento de partículas, desarrolló métodos para generar el muograma en función de los ángulos de llegada del muón. El muograma generado se comparó con los resultados de las simulaciones por computadora y concluyó que no había cámaras ocultas en la Pirámide de Kefrén después de que el aparato estuvo expuesto a la Pirámide durante varios meses.
El trabajo pionero de Tanaka y Niwa creó la muografía cinematográfica, que utiliza una emulsión nuclear . Se tomaron exposiciones de emulsiones nucleares en dirección al volcán y luego se analizaron con un microscopio de barrido recién inventado, construido a medida con el fin de identificar huellas de partículas de manera más eficiente. [14] La muografía cinematográfica les permitió obtener la primera imagen interior de un volcán activo en 2007, [15] revelando la estructura de la vía del magma del volcán Asama .
En 1968, el grupo de Álvarez utilizó cámaras de chispas con lectura digital para su experimento de la Pirámide. Los datos de seguimiento del aparato se realizaron en cinta magnética en la Cámara Belzoni, luego los datos fueron analizados por la computadora IBM 1130 y más tarde por la computadora CDC 6600 ubicada en la Universidad Ein Shams y el Laboratorio de Radiación Lawrence, respectivamente. [13] Estrictamente hablando, estas no fueron mediciones en tiempo real.
La muografía en tiempo real requiere sensores de muones para convertir la energía cinética del muón en una cantidad de electrones para procesar los eventos del muón como datos electrónicos en lugar de cambios químicos en una película. Los datos de seguimiento electrónico pueden procesarse casi instantáneamente con un procesador informático adecuado; por el contrario, los datos de la muografía de la película deben revelarse antes de poder observar las huellas de los muones. El seguimiento en tiempo real de las trayectorias de los muones produce muogramas en tiempo real que serían difíciles o imposibles de obtener con la muografía en película.
El detector MicroMegas tiene una resolución de posicionamiento de 0,3 mm, un orden de magnitud mayor que la del aparato basado en centelleadores (10 mm), [16] [17] y, por lo tanto, tiene la capacidad de crear una mejor resolución angular para muogramas.
Los muones se han utilizado para obtener imágenes de las cámaras de magma y predecir erupciones volcánicas . [18] Kanetada Nagamine et al. [19] continúan la investigación activa sobre la predicción de erupciones volcánicas mediante radiografía de atenuación de rayos cósmicos. Minato [20] utilizó recuentos de rayos cósmicos para radiografiar la puerta de un gran templo. Emil Frlež et al. [21] informaron sobre el uso de métodos tomográficos para rastrear el paso de muones de rayos cósmicos a través de cristales de yoduro de cesio con fines de control de calidad. Todos estos estudios se han basado en encontrar alguna parte del material fotografiado que tenga una densidad menor que el resto, lo que indica una cavidad. Las imágenes de transmisión de muones son el método más adecuado para adquirir este tipo de información.
En 2021, Giovanni Leone y su grupo revelaron que la frecuencia de las erupciones volcánicas está relacionada con la cantidad de material volcánico que se mueve a través de un conducto cercano a la superficie en un volcán activo. [22]
El proyecto Mu-Ray [23] ha estado utilizando la muografía para fotografiar el Vesubio , famoso por su erupción del año 79 d.C., que destruyó asentamientos locales, incluidos Pompeya y Herculano . El proyecto Mu-Ray está financiado por el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear) y el Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (Instituto Nacional Italiano de Geofísica y Vulcanología). [24] La última vez que este volcán entró en erupción fue en 1944. El objetivo de este proyecto es "ver" el interior del volcán que está siendo desarrollado por científicos de Italia, Francia, Estados Unidos y Japón. [25] Esta tecnología se puede aplicar a volcanes de todo el mundo, para tener una mejor comprensión de cuándo entrarán en erupción los volcanes. [26]
El proyecto ASTRI SST-2M utiliza la muografía para generar imágenes internas de las vías del magma del volcán Etna . [27] La última gran erupción de 1669 causó daños generalizados y la muerte de aproximadamente 20.000 personas. Monitorear los flujos de magma con muografía puede ayudar a predecir la dirección desde la cual se puede emitir la lava de futuras erupciones.
Desde agosto de 2017 hasta octubre de 2019, se realizaron imágenes de muografía secuencial en el tiempo del edificio del Etna para estudiar las diferencias en los niveles de densidad que indicarían actividades volcánicas en el interior. Algunos de los hallazgos de esta investigación fueron los siguientes: imágenes de la formación de una cavidad antes del colapso del suelo del cráter, identificación de fracturas subterráneas e imágenes de la formación de un nuevo respiradero en 2019 que se activó y posteriormente entró en erupción. [28]
Los aparatos utilizan emulsiones nucleares para recopilar datos cerca del volcán Stromboli . Las recientes mejoras en el escaneo de emulsión desarrolladas durante el proyecto Oscillation with Emulsion tRacking Apparatus ( experimento OPERA ) condujeron a la muografía cinematográfica. A diferencia de otros rastreadores de partículas de muografía, la emulsión nuclear puede adquirir una alta resolución angular sin electricidad. Un rastreador basado en emulsión ha estado recopilando datos en Stromboli desde diciembre de 2011. [29]
Durante un período de cinco meses en 2019, se realizó en el volcán Stromboli un experimento utilizando muografía en emulsión nuclear . Las películas en emulsión se prepararon en Italia y se analizaron en Italia y Japón. Las imágenes revelaron una zona de baja densidad en la cima del volcán que se cree que influye en la estabilidad de la ladera "Sciara del Fuoco" (fuente de muchos deslizamientos de tierra). [30]
Desde 2010, se lleva a cabo un estudio de imágenes muográficas en el volcán inactivo Puy de Dôme , en Francia. [31] Ha estado utilizando las estructuras de edificios cerradas existentes ubicadas directamente debajo de los lados sur y este del volcán para pruebas y experimentos de equipos. Muografías preliminares han revelado características de densidad previamente desconocidas en la cima del Puy de Dôme que han sido confirmadas con imágenes gravimétricas. [32]
Grupos de investigación franceses e italianos llevaron a cabo una medición conjunta en 2013-2014 durante la cual se probaron diferentes estrategias para mejorar los diseños de detectores, en particular su capacidad para reducir el ruido de fondo. [33]
La muografía se ha aplicado al monitoreo del nivel de saturación y agua subterránea del lecho rocoso en un área de deslizamientos de tierra como respuesta a eventos de lluvia importantes. Los resultados de las mediciones se compararon con mediciones del nivel freático de pozos y de la resistividad de las rocas. [34]
La aplicabilidad de la muografía a los estudios de glaciares se demostró por primera vez con un estudio de la parte superior del glaciar Aletch ubicado en los Alpes de Europa Central.
En 2017, una colaboración entre Japón y Suiza llevó a cabo un experimento de imágenes de muografía a mayor escala con base en el glaciar Eiger para determinar la geometría del lecho rocoso debajo de los glaciares activos en el escarpado entorno alpino de la región de Jungfrau en Suiza. Se colocaron 5-6 películas de emulsión recubiertas de doble cara en marcos con placas de acero inoxidable para protegerlas a instalar en 3 regiones de un túnel ferroviario que estaba ubicado debajo del glaciar objetivo. La producción de las películas de emulsión se realizó en Suiza y el análisis se realizó en Japón.
Por primera vez se pudieron obtener imágenes con éxito de la erosión del lecho rocoso subyacente y su límite entre el glaciar y el lecho rocoso. La metodología proporcionó información importante sobre los mecanismos subglaciares de erosión del lecho rocoso. [35] [36]
TRIUMF y su empresa derivada Ideon Technologies desarrollaron un muógrafo diseñado específicamente para estudios de posibles sitios de depósito de uranio con perforaciones estándar de la industria [37]
La muografía se ha utilizado para mapear el interior de grandes estructuras de ingeniería civil, como presas, y sus alrededores con fines de seguridad y prevención de riesgos. [38] Se aplicaron imágenes de muografía para la identificación de pozos de construcción ocultos ubicados sobre el antiguo túnel de Alfreton (construido en 1862) en el Reino Unido. [39]
La muografía se aplicó a la investigación de las condiciones de los reactores nucleares dañados por el desastre nuclear de Fukushima y ayudó a confirmar su estado de fusión casi completa. [40]
Las técnicas tomográficas pueden ser eficaces para la caracterización no invasiva de desechos nucleares y para la contabilidad del material nuclear del combustible gastado dentro de contenedores de almacenamiento seco. Los muones cósmicos pueden mejorar la precisión de los datos sobre desechos nucleares y contenedores de almacenamiento seco (DSC). Las imágenes de DSC superan el objetivo de detección de la OIEA para la contabilidad de materiales nucleares. En Canadá, el combustible nuclear gastado se almacena en grandes piscinas (compartimientos de combustible o almacenamiento húmedo) durante un período nominal de 10 años para permitir un enfriamiento radiactivo suficiente. [41]
Los desafíos y cuestiones para la caracterización de desechos nucleares se tratan detalladamente y se resumen a continuación: [42]
Contabilizar todas estas cuestiones puede requerir una gran cantidad de tiempo y esfuerzo. La tomografía de muones puede resultar útil para evaluar la caracterización de los residuos, el enfriamiento por radiación y el estado del contenedor de residuos.
En el verano de 2011, se fotografió una maqueta de un reactor utilizando Muon Mini Tracker (MMT) en Los Alamos. [43] El MMT consta de dos rastreadores de muones formados por tubos de deriva sellados. En la demostración, muones de rayos cósmicos atraviesan una disposición física de hormigón y plomo ; Se midieron materiales similares a un reactor. La maqueta constaba de dos capas de bloques de protección de hormigón y un conjunto de cables en el medio; Se instaló un rastreador a 2,5 metros (8 pies 2 pulgadas) de altura y otro rastreador se instaló en el nivel del suelo en el otro lado. A través de las paredes de hormigón se obtuvieron imágenes de plomo con un vacío cónico similar en forma al núcleo derretido del reactor de Three Mile Island . Se necesitaron tres semanas para acumular 8 × 10 4 eventos de muones. El análisis se basó en el punto de máxima aproximación, donde los pares de pistas se proyectaron en el plano medio del objetivo y el ángulo de dispersión se trazó en la intersección. Se obtuvieron imágenes de este objeto de prueba con éxito, a pesar de que era significativamente más pequeño de lo esperado en Fukushima Daiichi para el Fukushima Muon Tracker (FMT) propuesto.
El 11 de marzo de 2011, un terremoto de magnitud 9,0, seguido de un tsunami , provocó una crisis nuclear en curso en la central eléctrica de Fukushima Daiichi . Aunque los reactores están estabilizados, una parada completa requerirá conocer el alcance y la ubicación de los daños a los reactores. En diciembre de 2011, el gobierno japonés anunció un cierre frío y se inició una nueva fase de limpieza y desmantelamiento nuclear . Sin embargo, es difícil planificar el desmantelamiento de los reactores sin una estimación realista de la magnitud de los daños en los núcleos y sin conocer la ubicación del combustible fundido. [44] [45] Dado que los niveles de radiación siguen siendo muy altos en el interior del núcleo del reactor, no es probable que alguien pueda entrar para evaluar el daño. Se propone utilizar el Fukushima Daiichi Tracker (FDT) para observar la magnitud de los daños desde una distancia segura. Unos meses de mediciones con tomografía de muones mostrarán la distribución del núcleo del reactor. A partir de ahí se puede elaborar un plan para el desmantelamiento del reactor; acortando así potencialmente el tiempo del proyecto muchos años.
En agosto de 2014, Decision Sciences International Corporation obtuvo un contrato de Toshiba Corporation (Toshiba) para apoyar la recuperación del complejo nuclear Fukushima Daiichi con el uso de los detectores de seguimiento de muones de Decision Science. [46]
La muografía industrial ha encontrado una aplicación en la inspección de reactores. [47] Se utilizó para localizar el combustible nuclear en la central nuclear de Fukushima Daiichi , que resultó dañada por el terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011 .
El Tratado de No Proliferación Nuclear (TNP) firmado en 1968 fue un paso importante en la no proliferación de armas nucleares. Según el TNP, a los estados sin armas nucleares se les prohibía, entre otras cosas, poseer, fabricar o adquirir armas nucleares u otros dispositivos explosivos nucleares. Todos los signatarios, incluidos los estados con armas nucleares, estaban comprometidos con el objetivo del desarme nuclear total .
El Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares (TPCE) prohíbe todas las explosiones nucleares en cualquier entorno. Herramientas como la tomografía de muones pueden ayudar a detener la propagación de material nuclear antes de que se convierta en un arma. [48]
El nuevo tratado START [49] firmado por Estados Unidos y Rusia tiene como objetivo reducir el arsenal nuclear hasta en un tercio. La verificación implica una serie de problemas logísticos y técnicamente difíciles. Los nuevos métodos de obtención de imágenes de ojivas son de crucial importancia para el éxito de las inspecciones mutuas.
La tomografía de muones se puede utilizar para la verificación de tratados debido a muchos factores importantes. Es un método pasivo; es seguro para los humanos y no aplicará una dosis radiológica artificial a la ojiva. Los rayos cósmicos son mucho más penetrantes que los rayos gamma o X. Se pueden obtener imágenes de ojivas en un contenedor detrás de un blindaje significativo y en presencia de desorden. Los tiempos de exposición dependen de la configuración del objeto y del detector (~unos minutos si está optimizado). Si bien la detección de materiales nucleares especiales (SNM) se puede confirmar de manera confiable y los objetos SNM discretos se pueden contar y localizar, el sistema se puede diseñar para no revelar detalles potencialmente sensibles del diseño y la composición del objeto. [50]
El escáner portuario del Sistema de Detección Pasiva Multimodo (MMPDS), ubicado en Freeport, Bahamas, puede detectar tanto material nuclear blindado como explosivos y contrabando. El escáner es lo suficientemente grande como para que pase un contenedor de carga, lo que lo convierte en una versión ampliada del Mini Muon Tracker. Luego produce una imagen tridimensional de lo que se escanea. [51]
Se pueden utilizar herramientas como el MMPDS para prevenir la propagación de armas nucleares. El uso seguro pero eficaz de los rayos cósmicos se puede implementar en los puertos para ayudar en los esfuerzos de no proliferación, o incluso en las ciudades, bajo pasos elevados o entradas a edificios gubernamentales.
En 2015, 45 años después del experimento de Álvarez, el Proyecto ScanPyramids , que está compuesto por un equipo internacional de científicos de Egipto, Francia, Canadá y Japón, comenzó a utilizar técnicas de imágenes de muografía y termografía para estudiar el complejo piramidal de Giza . [53] En 2017, los científicos involucrados en el proyecto descubrieron una gran cavidad, llamada "ScanPyramids Big Void", sobre la Gran Galería de la Gran Pirámide de Giza . [54] [55] En 2023, se encontró "una estructura en forma de corredor" en la pirámide de Keops utilizando muones de rayos cósmicos. Se llamó "Corredor de la cara norte de ScanPyramids". [56]
La tercera pirámide más grande del mundo, la Pirámide del Sol , situada cerca de la Ciudad de México en la antigua ciudad de Teotihuacán, fue examinada con muografía. Una de las motivaciones del equipo era descubrir si cámaras inaccesibles dentro de la Pirámide podrían albergar la tumba de un gobernante de Teotihuacán . El aparato fue transportado en componentes y luego reensamblado dentro de un pequeño túnel que conducía a una cámara subterránea directamente debajo de la pirámide. Como resultado preliminar se reportó una región de baja densidad de aproximadamente 60 metros de ancho, lo que ha llevado a algunos investigadores a sugerir que la estructura de la pirámide podría haberse debilitado y está en peligro de colapsar. [8]
En 2020, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. otorgó a un grupo internacional entre Estados Unidos y México una subvención para realizar una muografía para investigar El Castillo, la pirámide más grande de Chichén Itzá . [57]
Se realizó un experimento de muografía tridimensional en los túneles subterráneos del Monte Echia (en Nápoles, Italia) con 2 detectores de muones, MU-RAY y MIMA, que obtuvieron imágenes con éxito de 2 cavidades conocidas y descubrieron una cavidad desconocida. El monte Echia es el lugar donde comenzó el primer asentamiento de Nápoles en el siglo VIII y se encuentra bajo tierra. Utilizando mediciones de tres lugares diferentes de los túneles subterráneos, se creó una reconstrucción 3D de la cavidad desconocida. El método utilizado para este experimento podría aplicarse a otros objetivos arqueológicos para comprobar la integridad estructural de sitios antiguos y potencialmente descubrir regiones históricas ocultas dentro de sitios conocidos. [58]
Yuanyuan Liu de la Universidad Normal de Beijing y su grupo demostraron la viabilidad de la muografía para obtener imágenes de la cámara subterránea del primer emperador de China. [59]
La muografía podría implementarse potencialmente para obtener imágenes de objetos extraterrestres como la geología de Marte. Los rayos cósmicos son numerosos y omnipresentes en el espacio exterior. Por lo tanto, se predice que la interacción de los rayos cósmicos en la atmósfera terrestre para generar piones/mesones y posteriormente desintegrarse en muones también ocurre en la atmósfera de otros planetas. [60] Se ha calculado que la atmósfera de Marte es suficiente para producir un flujo de muones horizontal para la muografía práctica, aproximadamente equivalente al flujo de muones de la Tierra. [61] En el futuro, puede ser viable incluir un aparato de muografía de alta resolución en una futura misión espacial a Marte, por ejemplo dentro de un rover de Marte. [61] Obtener imágenes precisas de la densidad de las estructuras marcianas podría usarse para estudiar fuentes de hielo o agua.
El “ programa Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA” está ahora en el proceso de evaluar si la muografía puede usarse para obtener imágenes de las estructuras de densidad de los pequeños cuerpos del Sistema Solar (SSB). [62] Si bien las SSB tienden a generar un flujo de muones más bajo que la atmósfera terrestre, algunas son suficientes para permitir la muografía de objetos con un diámetro de entre 1 km o menos. El programa incluye calcular el flujo de muones para cada objetivo potencial, crear simulaciones de imágenes y considerar los desafíos de ingeniería de construir un aparato más liviano y compacto apropiado para tal misión.
El detector profundo submarino hiperkilométrico (HKMSDD) fue diseñado como una técnica para operar observaciones muográficas de forma autónoma bajo el mar a costos razonables mediante la combinación de conjuntos lineales de módulos de sensores muográficos con estructuras de tubos submarinos. [63]
En la muografía submarina, los movimientos de masas dependientes del tiempo que consisten en o dentro de cuerpos fluidos gigantes y cuerpos de material sólido sumergidos se pueden representar con mayor precisión que en la muografía terrestre. Las fluctuaciones del flujo de muones que dependen del tiempo debido a las variaciones de la presión atmosférica se suprimen cuando la muografía se realiza bajo el fondo marino mediante el “efecto barométrico inverso (IBE)” del agua de mar. Las bajas presiones atmosféricas, como las presiones observadas en el centro de un ciclón, absorben agua de mar; por otro lado, las altas presiones atmosféricas empujarán el agua de mar hacia abajo. Por lo tanto, las fluctuaciones de la presión barométrica del muón son compensadas en su mayor parte por el IBE al nivel del mar. [63]
El éxito de la captura y almacenamiento de carbono (CCS) depende de poder contener de manera confiable los materiales dentro de los contenedores de almacenamiento. Se ha propuesto utilizar la muografía como herramienta de seguimiento de CCS. En 2018, un estudio de 2 meses respaldó la viabilidad de la monitorización por muografía CCS. Se completó en el Reino Unido en el sitio de la mina Boulby en un pozo de 1,1 kilómetros (3600 pies) de profundidad. [64]
La tomografía por dispersión de muones fue propuesta por primera vez por Chris Morris y su grupo en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL). [65] Esta técnica es capaz de localizar la fuente de dispersión Rutherford del muón mediante el seguimiento de los muones entrantes y salientes del objetivo. Dado que las longitudes de radiación tienden a ser más cortas para materiales con números atómicos más altos; por lo tanto, se esperan ángulos de dispersión mayores para las mismas longitudes de trayectoria; esta técnica es más sensible para distinguir diferencias entre materiales dentro de las estructuras y, por lo tanto , puede usarse para obtener imágenes de metales pesados ocultos dentro de materiales livianos. Por otro lado, esta técnica no es adecuada para obtener imágenes de estructuras vacías o materiales ligeros ubicados dentro de materiales pesados. [ cita necesaria ]
LANL y su empresa derivada Decision Sciences aplicaron la técnica MST para obtener imágenes del interior de grandes camiones y otros contenedores de almacenamiento con el fin de detectar materiales nucleares. [66] Un sistema similar que utilizó MST fue desarrollado en la Universidad de Glasgow y su empresa derivada Lynkeos Technology para aplicarlo al monitoreo de la robustez de los contenedores de desechos nucleares en el sitio de almacenamiento de Sellafield . [67]
Con la tomografía de dispersión de muones, se reconstruyen las trayectorias de entrada y salida de cada partícula. Se ha demostrado que esta técnica es útil para encontrar materiales con un número atómico alto en un fondo de material de alta z, como uranio o material con un número atómico bajo. < [68] [69] Desde el desarrollo de esta técnica en Los Alamos , algunas empresas diferentes han comenzado a utilizarlo para varios fines, sobre todo para detectar carga nuclear que ingresa a los puertos y cruza fronteras.
El equipo del Laboratorio Nacional de Los Álamos ha construido un Mini Muon Tracker (MMT) portátil. Este rastreador de muones está construido a partir de tubos de deriva de aluminio sellados , [70] que están agrupados en veinticuatro planos de 1,2 metros cuadrados (4 pies). Los tubos de deriva miden las coordenadas de partículas en X e Y con una precisión típica de varios cientos de micrómetros. El MMT se puede mover mediante una transpaleta o una carretilla elevadora. Si se ha detectado un material nuclear es importante poder medir los detalles de su construcción para poder evaluar correctamente la amenaza. [71]
MT utiliza radiografía de dispersión múltiple. Además de perder energía y detenerse, los rayos cósmicos sufren dispersión de Coulomb. La distribución angular es el resultado de muchas dispersiones individuales. Esto da como resultado una distribución angular de forma gaussiana con colas de dispersión única y plural de ángulo grande. La dispersión proporciona un método novedoso para obtener información radiográfica con haces de partículas cargadas . Más recientemente, se ha demostrado que la dispersión de información procedente de muones de rayos cósmicos es un método útil de radiografía para aplicaciones de seguridad nacional. [68] [72] [73] [74]
La dispersión múltiple se puede definir como cuando el espesor aumenta y el número de interacciones aumenta, la dispersión angular se puede modelar como gaussiana. Donde la parte dominante de la distribución polar-angular de dispersión múltiple es
donde θ es el ángulo de dispersión de muones y θ 0 es la desviación estándar del ángulo de dispersión, viene dada aproximadamente por
El momento y la velocidad del muón son p y β , respectivamente, c es la velocidad de la luz, X es la longitud del medio de dispersión y X 0 es la longitud de la radiación del material. Esto debe convolucionarse con el espectro del momento de los rayos cósmicos para poder describir la distribución angular.
Luego, la imagen se puede reconstruir mediante el uso de GEANT4 . [75] Estas ejecuciones incluyen vectores de entrada y salida, de entrada y salida para cada partícula incidente. El flujo incidente proyectado hacia la ubicación central se utilizó para normalizar la radiografía de transmisión (método de atenuación). A partir de aquí los cálculos se normalizan para el ángulo cenital del flujo.
A pesar de los diversos beneficios del uso de muones de rayos cósmicos para obtener imágenes de objetos grandes y densos, es decir, barriles de combustible nuclear gastado y reactores nucleares, sus amplias aplicaciones a menudo están limitadas por el flujo de muones naturalmente bajo al nivel del mar, aproximadamente 10.000 m −2 min −1 . Para superar esta limitación, durante la medición se deben medir dos cantidades importantes (ángulo de dispersión, θ y momento, p ) para cada evento de muón. Para medir el impulso de los muones de los rayos cósmicos en el campo, se ha desarrollado un espectrómetro de muones utilizable que utiliza radiadores Cherenkov de gas presurizado multicapa y el espectrómetro-tomografía de muones muestra resoluciones mejoradas de la tomografía de dispersión de muones. [76]
Mu-CAT es una técnica que combina múltiples imágenes muográficas proyectadas para crear una imagen muográfica 3D. En principio, es similar a la imagen médica utilizada en radiología (TAC) para obtener imágenes internas tridimensionales del cuerpo. [77] Mientras que los escáneres TAC médicos utilizan un generador de rayos X giratorio alrededor del objeto objetivo, Mu-CAT utiliza múltiples detectores alrededor del objeto objetivo y muones naturales como sondas. Se aplica la técnica de reconstrucción tomográfica [78] o el problema inverso [77] a estos datos de las observaciones Mu-CAT para reconstruir imágenes en 3D. [77]
Mu-CAT reveló la posición tridimensional de una zona fracturada debajo del suelo del cráter de un volcán activo relacionada con una erupción pasada que había provocado un gran flujo de lava y piroclásticos en su vertiente norte. [77]
El detector de inspección de rayos cósmicos y tomografía pasiva ( CRIPT ) [79] es un proyecto canadiense de tomografía de muones que rastrea los eventos de dispersión de muones y al mismo tiempo estima el impulso de los muones. El detector CRIPT mide 5,3 metros (17 pies) de altura y tiene una masa de 22 toneladas (22 toneladas largas; 24 toneladas cortas). La mayor parte de la masa del detector se encuentra en el espectrómetro de momento de muones, que es una característica exclusiva de CRIPT con respecto a la tomografía de muones.
Después de la construcción y puesta en servicio iniciales [80] en la Universidad Carleton en Ottawa , Canadá , el detector CRIPT se trasladó a los Laboratorios Chalk River de Atomic Energy Of Canada Limited . [81]
El detector CRIPT está examinando actualmente las limitaciones en el tiempo de detección para aplicaciones de seguridad fronteriza, las limitaciones en la resolución de imágenes de tomografía de muones, la verificación de existencias de desechos nucleares y la observación del clima espacial mediante la detección de muones.
El aparato es un dispositivo de seguimiento de muones que consta de sensores de muones y medios de grabación. Hay varios tipos diferentes de sensores de muones utilizados en los aparatos de muografía: centelleadores plásticos , [82] emulsiones nucleares , [29] o detectores de ionización gaseosa . [7] [16] El medio de grabación es la propia película, memoria digital magnética o electrónica. El aparato se dirige hacia el volumen objetivo, exponiendo el sensor de muones hasta que se registren los eventos de muones necesarios para formar un muograma estadísticamente suficiente, después de lo cual (posprocesamiento) se crea un muógrafo que muestra la densidad promedio a lo largo de cada trayectoria de muones. [ cita necesaria ]
La muografía tiene varias ventajas sobre los estudios geofísicos tradicionales. En primer lugar, los muones son naturalmente abundantes y viajan desde la atmósfera hacia la superficie de la Tierra. [83] Este abundante flujo de muones es casi constante, por lo que la muografía se puede utilizar en todo el mundo. En segundo lugar, debido a la resolución de alto contraste de la muografía, se puede distinguir un pequeño vacío de menos del 0,001% del volumen total. [13] Finalmente, el aparato tiene requisitos de energía mucho menores que otras técnicas de imágenes, ya que utilizan sondas naturales, en lugar de depender de señales generadas artificialmente. [61]
En el campo de la muografía, el coeficiente de transmisión se define como la relación entre la transmisión a través del objeto y el flujo de muones incidente. Aplicando el alcance del muón a través de la materia [84] al espectro de energía del muón a cielo abierto, [83] se puede derivar analíticamente el valor de la fracción del flujo de muón incidente que se transmite a través del objeto. Un muón con una energía diferente tiene un alcance diferente, que se define como la distancia que el muón incidente puede recorrer en la materia antes de detenerse. Por ejemplo, los muones de energía de 1 TeV tienen un rango de aproximación de desaceleración continua (rango CSDA) de 2500 m equivalente de agua (mwe) en dióxido de sílice, mientras que el rango se reduce a 400 mwe para muones de 100 GeV. [85] Este rango varía si el material es diferente, por ejemplo, los muones de 1 TeV tienen un rango CSDA de 1500 mwe en plomo. [85]
Los números (o colores posteriores) que forman un muograma se muestran en términos del número transmitido de eventos de muones. Cada píxel del muograma es una unidad bidimensional basada en la resolución angular del aparato. El fenómeno de que la muografía no pueda diferenciar las variaciones de densidad se denomina "efectos de volumen". Los efectos de volumen ocurren cuando una gran cantidad de materiales de baja densidad y una fina capa de materiales de alta densidad provocan la misma atenuación en el flujo de muones. Por lo tanto, para evitar datos falsos que surjan de efectos de volumen, la forma exterior del volumen debe determinarse con precisión y utilizarse para analizar los datos. [ cita necesaria ]
{{cite web}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )En el verano de 2011, se tomaron imágenes de una maqueta de un reactor utilizando Muon Mini Tracker (MMT) en Los Álamos (altitud de 2231 m).
MIDDLEBURG, Va., 8 de agosto de 2014 – Decision Sciences International Corporation (DSIC), un proveedor de tecnología avanzada de sistemas de seguridad y detección, anunció hoy que Toshiba Corporation (Toshiba) le ha adjudicado un contrato para apoyar la recuperación de Fukushima. Complejo nuclear Daiichi con el uso de los revolucionarios detectores de seguimiento de muones de DSIC.
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )