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 penetran mucho más profundamente que los rayos X , la tomografía de muones se puede utilizar para obtener imágenes a través de materiales mucho más gruesos 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 por dispersión de muones.
La muografía utiliza muones rastreando el número 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 (imágenes con rayos X ) pero capaz de examinar objetos mucho más grandes. Dado que los muones tienen menos probabilidades de interactuar, detenerse y desintegrarse 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 que hayan pasado a través de 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 generadores de imágenes por tomografía de muones con el fin de 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 que surge de la combinación de las palabras del griego antiguo tomos "corte" y graphe "dibujo". La técnica produce imágenes transversales (no imágenes de proyección) de objetos de gran escala que no se pueden visualizar con la radiografía convencional. [ cita requerida ] Algunos autores consideran, por lo tanto, 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] lo que sugiere que significa "dibujo con muones"; y (B) una combinación abreviada de " muón " y " radiografía ". [7] Aunque estas técnicas están relacionadas, difieren en que la radiografía usa rayos X para obtener imágenes del interior de los objetos en la escala de metros, mientras que la muografía usa muones para obtener imágenes del interior de los 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 sobrecarga de roca del túnel Guthega -Munyang (parte del Esquema Hidroeléctrico de las Montañas Nevadas ) con muones de rayos cósmicos. [10] Utilizó un contador Geiger . Aunque tuvo éxito en medir la densidad superficial de la sobrecarga de roca colocada sobre el detector, e incluso coincidió con éxito con 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 Kefrén 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, la información sobre la absorción de los muones se utilizó como una 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 Alvarez , [13] quien instaló un aparato de detección en la Cámara Belzoni de la Pirámide de Kefrén para buscar cámaras ocultas dentro de la estructura. Registró el número de muones después de que pasaran por la Pirámide. Con una invención de esta técnica de seguimiento de partículas, elaboró los métodos para generar el muograma en función de los ángulos de llegada de los muones. 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 en película, que utiliza emulsiones nucleares . Se tomaron exposiciones de emulsiones nucleares en la dirección del volcán y luego se analizaron con un microscopio de barrido de nueva invención, construido a medida con el propósito de identificar rastros de partículas de manera más eficiente. [14] La muografía en película les permitió obtener la primera imagen del interior de un volcán activo en 2007, [15] revelando la estructura de la ruta del magma del volcán Asama .
En 1968, el grupo de Álvarez utilizó cámaras de chispas con un lector digital para su experimento de la Pirámide. Los datos de seguimiento del aparato se grabaron 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 ubicadas 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 que conviertan la energía cinética del muón en una cantidad de electrones para procesar los eventos muónicos como datos electrónicos en lugar de como cambios químicos en una película. Los datos de seguimiento electrónico se pueden procesar casi instantáneamente con un procesador informático adecuado; en cambio, los datos de muografía en película deben desarrollarse antes de poder observar las trayectorias 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 centelleador (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 cámaras de magma para predecir erupciones volcánicas . [18] Kanetada Nagamine et al. [19] continúan la investigación activa sobre la predicción de erupciones volcánicas a través de la radiografía de atenuación de rayos cósmicos. Minato [20] utilizó recuentos de rayos cósmicos para radiografiar una gran puerta de un templo. Emil Frlež et al. [21] informaron 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. La obtención de imágenes por transmisión de muones es 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 muografía para obtener imágenes del Vesubio , famoso por su erupción del año 79 d. C., que destruyó asentamientos locales como 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 en 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. [26]
El proyecto ASTRI SST-2M utiliza muografía para generar imágenes internas de los caminos del magma del volcán Etna . [27] La última gran erupción de 1669 causó daños generalizados y la muerte de aproximadamente 20.000 personas. El seguimiento de los flujos de magma con muografía puede ayudar a predecir la dirección desde la que puede emitirse la lava de futuras erupciones.
Desde agosto de 2017 hasta octubre de 2019, se realizaron imágenes muográficas secuenciales del edificio Etna para estudiar las diferencias en los niveles de densidad que indicarían actividades volcánicas en su 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 emulsiones desarrolladas durante el Proyecto de oscilación con un aparato de seguimiento de emulsiones ( experimento OPERA ) condujeron a la muografía en película. A diferencia de otros rastreadores de partículas de muografía, la emulsión nuclear puede adquirir una alta resolución angular sin electricidad. Un rastreador basado en emulsiones ha estado recopilando datos en Stromboli desde diciembre de 2011. [29]
Durante un período de 5 meses en 2019, se realizó un experimento con muografía de emulsión nuclear en el volcán Stromboli. Se prepararon películas de emulsión 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 pendiente de “Sciara del Fuoco” (la fuente de muchos deslizamientos de tierra). [30]
Desde 2010, se ha llevado a cabo un estudio de imágenes muográficas en el volcán inactivo Puy de Dôme , en Francia. [31] Se han utilizado las estructuras de edificios cerrados existentes ubicadas directamente debajo de los lados sur y este del volcán para realizar pruebas y experimentos de equipos. Los muógrafos preliminares han revelado características de densidad previamente desconocidas en la cima de Puy de Dôme que se han confirmado con imágenes gravimétricas. [32]
En 2013-2014, grupos de investigación franceses e italianos realizaron una medición conjunta en la que se probaron diferentes estrategias para mejorar los diseños de detectores, en particular sus capacidades para reducir el ruido de fondo. [33]
La muografía se ha aplicado al control del nivel de saturación y de las aguas subterráneas en el lecho rocoso de una zona de deslizamientos de tierra como respuesta a grandes eventos de lluvia. Los resultados de las mediciones se compararon con las mediciones del nivel de las aguas subterráneas en pozos y 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 japonesa/suiza llevó a cabo un experimento de obtención de imágenes muográficas a mayor escala 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 o 6 películas de emulsión revestidas por ambos lados en marcos con placas de acero inoxidable para su protección que se instalarían en 3 regiones de un túnel ferroviario ubicado debajo del glaciar en cuestión. La producción de las películas de emulsión se realizó en Suiza y el análisis se realizó en Japón.
Por primera vez se pudo obtener imágenes de la erosión del lecho rocoso subyacente y de su límite entre el glaciar y el lecho rocoso. La metodología proporcionó información importante sobre los mecanismos subglaciales de la 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 represas, y sus alrededores con fines de seguridad y prevención de riesgos. [38] La muografía se aplicó a 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 los desechos nucleares y para la contabilidad del material nuclear del combustible gastado dentro de contenedores de almacenamiento en seco. Los muones cósmicos pueden mejorar la precisión de los datos sobre los desechos nucleares y los contenedores de almacenamiento en seco (DSC). La obtención de imágenes de DSC supera el objetivo de detección del OIEA para la contabilidad del material nuclear. En Canadá, el combustible nuclear gastado se almacena en grandes piscinas (bahías de combustible o almacenamiento húmedo) durante un período nominal de 10 años para permitir un enfriamiento radiactivo suficiente. [41]
Los desafíos y problemas de la caracterización de los residuos nucleares se abordan en profundidad y se resumen a continuación: [42]
Tener en cuenta todos estos aspectos puede requerir mucho tiempo y esfuerzo. La tomografía de muones puede ser 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 tomó una imagen de una maqueta de reactor utilizando el 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, se midieron los muones de rayos cósmicos que pasaban a través de una disposición física de hormigón y plomo ; materiales similares a un reactor. La maqueta constaba de dos capas de bloques de protección de hormigón y un conjunto de plomo en el medio; un rastreador se instaló a 2,5 metros (8 pies 2 pulgadas) de altura y otro rastreador se instaló al nivel del suelo en el otro lado. Se tomó una imagen de plomo con un vacío cónico similar en forma al núcleo fundido del reactor de Three Mile Island a través de las paredes de hormigón. Se necesitaron tres semanas para acumular 8 × 10 4 eventos de muones. El análisis se basó en el punto de aproximación más cercano, donde los pares de pistas se proyectaron al plano medio del objetivo y el ángulo de dispersión se trazó en la intersección. Este objeto de prueba fue fotografiado con éxito, aunque era significativamente más pequeño de lo esperado en Fukushima Daiichi para el propuesto Rastreador de Muones de Fukushima (FMT).
El 11 de marzo de 2011, un terremoto de magnitud 9,0, seguido de un tsunami , provocó una crisis nuclear en curso en la planta de energía de Fukushima Daiichi . Aunque los reactores están estabilizados, el cierre completo requerirá conocimiento de la extensión y ubicación del daño a los reactores. El gobierno japonés anunció un apagado en frío en diciembre de 2011, y se inició una nueva fase de limpieza nuclear y desmantelamiento. Sin embargo, es difícil planificar el desmantelamiento de los reactores sin una estimación realista de la extensión del daño a los núcleos y el conocimiento de la ubicación del combustible fundido. [44] [45] Dado que los niveles de radiación aún son muy altos en el interior del núcleo del reactor, no es probable que alguien pueda ingresar para evaluar el daño. Se propone el Fukushima Daiichi Tracker (FDT) para ver la extensión del daño desde una distancia segura. Unos pocos 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 potencialmente el tiempo del proyecto en muchos años.
En agosto de 2014, Decision Sciences International Corporation recibió un contrato de Toshiba Corporation (Toshiba) para apoyar la recuperación del complejo nuclear de Fukushima Daiichi con el uso de detectores de seguimiento de muones de Decision Sciences. [46]
La muografía industrial ha encontrado una aplicación en la inspección de reactores. [47] Se utilizó para localizar el combustible nuclear en la planta de energía nuclear de Fukushima Daiichi , que fue 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. En virtud del TNP, a los Estados no poseedores de 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 poseedores de armas nucleares, se comprometieron a alcanzar 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 los Estados Unidos y Rusia tiene por objeto reducir el arsenal nuclear en un tercio. La verificación implica una serie de problemas logísticos y técnicos difíciles. Los nuevos métodos de obtención de imágenes de las ojivas son de importancia crucial 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. Las ojivas se pueden visualizar en un contenedor detrás de un blindaje significativo y en presencia de ruido. Los tiempos de exposición dependen del objeto y la configuración del detector (unos pocos minutos si se optimiza). Si bien la detección de material nuclear especial (SNM) se puede confirmar de manera confiable y se pueden contar y localizar objetos SNM discretos, el sistema se puede diseñar para que no revele detalles potencialmente sensibles del diseño y la composición del objeto. [50]
El escáner de puerto 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 a mayor escala del Mini Muon Tracker. Luego produce una imagen en 3D de lo que se escanea. [51]
Se pueden utilizar herramientas como el MMPDS para prevenir la proliferación de armas nucleares. El uso seguro pero eficaz de los rayos cósmicos se puede implementar en los puertos para ayudar a los esfuerzos de no proliferación, o incluso en las ciudades, bajo los pasos elevados o en las entradas de los 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 inspeccionar el complejo de pirámides 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 los muones de rayos cósmicos. Se denominó "ScanPyramids North Face Corridor". [56]
La tercera pirámide más grande del mundo, la Pirámide del Sol , situada cerca de la Ciudad de México en la antigua ciudad de Teotihuacan, fue estudiada con muografía. Una de las motivaciones del equipo era descubrir si las cámaras inaccesibles dentro de la pirámide podrían contener la tumba de un gobernante teotihuacano . El aparato fue transportado en componentes y luego reensamblado dentro de un pequeño túnel que conduce a una cámara subterránea directamente debajo de la pirámide. Se informó una región de baja densidad de aproximadamente 60 metros de ancho como resultado preliminar, lo que ha llevado a algunos investigadores a sugerir que la estructura de la pirámide podría haberse debilitado y está en peligro de colapso. [8]
En 2020, la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos otorgó a un grupo internacional de Estados Unidos y México una subvención de 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 dos detectores de muones, MU-RAY y MIMA, que obtuvieron imágenes de dos cavidades conocidas y descubrieron una cavidad desconocida. El Monte Echia es donde comenzó el asentamiento más antiguo de Nápoles en el siglo VIII y está ubicado bajo tierra. Utilizando mediciones de tres ubicaciones diferentes en los túneles subterráneos, se creó una reconstrucción 3D para la cavidad desconocida. El método utilizado para este experimento podría aplicarse a otros objetivos arqueológicos para verificar la integridad estructural de sitios antiguos y descubrir potencialmente 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 ser potencialmente utilizada 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 de la Tierra 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 marciano. [61] Obtener imágenes precisas de la densidad de las estructuras marcianas podría usarse para estudiar fuentes de hielo o agua.
El programa “ NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)” está ahora en proceso de evaluar si la muografía puede usarse para obtener imágenes de las estructuras de densidad de cuerpos pequeños del Sistema Solar (SSB). [62] Si bien los SSB tienden a generar un flujo de muones menor que la atmósfera de la Tierra, algunos son suficientes para permitir la muografía de objetos que miden 1 km o menos de diámetro. El programa incluye el cálculo del flujo de muones para cada objetivo potencial, la creación de simulaciones de imágenes y la consideración de los desafíos de ingeniería de construir un aparato más liviano y compacto apropiado para tal misión.
El detector submarino hiperkilométrico profundo (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 masa dependientes del tiempo que consisten en o dentro de cuerpos de fluidos gigantescos y cuerpos de material sólido sumergidos se pueden visualizar con mayor precisión que con la muografía terrestre. Las fluctuaciones dependientes del tiempo del flujo de muones debido a las variaciones de la presión atmosférica se suprimen cuando la muografía se realiza bajo el fondo marino por el "efecto barométrico inverso (IBE)" del agua de mar. Las presiones atmosféricas bajas, como las presiones observadas en el centro de un ciclón, succionan el agua de mar; por otro lado, las presiones atmosféricas altas empujarán el agua de mar hacia abajo. La fluctuación de la presión barométrica del muón, por lo tanto, se compensa en su mayoría por el IBE a niveles del mar. [63]
El éxito de la captura y almacenamiento de carbono (CCS) depende de la capacidad de contener de forma fiable los materiales dentro de los contenedores de almacenamiento. Se ha propuesto utilizar la muografía como herramienta de seguimiento para la captura y almacenamiento de carbono. En 2018, un estudio de dos meses de duración respaldó la viabilidad del seguimiento de la muografía mediante CCS. Se llevó a cabo en el Reino Unido, en el yacimiento 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 de 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 de mayor número atómico (por lo tanto, se esperan ángulos de dispersión mayores para las mismas longitudes de trayectoria), esta técnica es más sensible a la hora de distinguir las diferencias entre los materiales dentro de las estructuras y, por lo tanto, se puede utilizar para obtener imágenes de metales pesados ocultos en el interior de materiales ligeros. Por otro lado, esta técnica no es adecuada para obtener imágenes de estructuras vacías o materiales ligeros ubicados en el interior de materiales pesados. [ cita requerida ]
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 utilizaba MST fue desarrollado en la Universidad de Glasgow y su empresa derivada Lynkeos Technology para aplicarlo en el monitoreo de la robustez de los contenedores de desechos nucleares en el sitio de almacenamiento de Sellafield . [67]
Con la tomografía por 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 alto z, como el uranio o material con un número atómico bajo. [68] [69] Desde el desarrollo de esta técnica en Los Álamos, algunas empresas diferentes han comenzado a utilizarla para varios fines, en particular para detectar carga nuclear que ingresa a los puertos y cruza fronteras.
El equipo del Laboratorio Nacional de Los Álamos ha construido un Mini Rastreador de Muones (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 las 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 evaluar correctamente la amenaza. [71]
La MT utiliza radiografía de dispersión múltiple. Además de la pérdida de energía y la detención, los rayos cósmicos sufren dispersión de Coulomb. La distribución angular es el resultado de muchas dispersiones simples. Esto da como resultado una distribución angular que tiene forma gaussiana con colas de dispersión simple 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 información de dispersión 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 se vuelve alto, 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 del muón y θ 0 es la desviación estándar del ángulo de dispersión, se da 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 radiación del material. Esto debe convolucionarse con el espectro del momento de los rayos cósmicos para describir la distribución angular.
La imagen puede luego reconstruirse 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 a la ubicación del núcleo 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 de utilizar muones de rayos cósmicos para obtener imágenes de objetos grandes y densos, es decir, contenedores 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, se deben medir dos cantidades importantes (ángulo de dispersión, θ y momento, p ) para cada evento de muón durante la medición. Para medir el momento de muones de rayos cósmicos en el campo, se ha desarrollado un espectrómetro de muones de campo que utiliza radiadores Cherenkov de gas presurizado multicapa y el espectrómetro-tomógrafo de muones muestra resoluciones de tomografía por dispersión de muones mejoradas. [76]
Mu-CAT es una técnica que combina múltiples imágenes muográficas proyectadas para crear una imagen muográfica en 3D. En principio, es similar a las imágenes médicas utilizadas en radiología (tomografías computarizadas) para obtener imágenes internas tridimensionales del cuerpo. [77] Mientras que los escáneres CAT 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. La técnica de reconstrucción tomográfica [78] o el problema inverso [77] se aplican 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 relacionado con una erupción pasada que había causado un gran flujo piroclástico y de lava en su ladera 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 mientras estima simultáneamente el momento del muón. El detector CRIPT tiene 5,3 metros (17 pies) de alto y 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 del muón, que es una característica exclusiva de CRIPT con respecto a la tomografía de muones.
Después de la construcción inicial y la puesta en servicio [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 a través de 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 aparatos de muografía: centelleadores plásticos , [82] emulsiones nucleares , [29] o detectores de ionización gaseosa . [7] [16] El medio de grabación es la propia película, la memoria magnética digital o electrónica. El aparato se dirige hacia el volumen objetivo, exponiendo el sensor de muones hasta que se registran 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 requerida ]
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] Por último, el aparato requiere mucha menos energía que otras técnicas de obtención de imágenes, ya que utiliza 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 rango del muón a través de la materia [84] al espectro de energía del muón en cielo abierto, [83] se puede derivar analíticamente el valor de la fracción del flujo de muones incidente que se transmite a través del objeto. Un muón con una energía diferente tiene un rango 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 equivalentes 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 por el cual la muografía no puede 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 capa delgada de materiales de alta densidad causan la misma atenuación en el flujo de muones. Por lo tanto, para evitar que surjan datos falsos debido a los efectos de volumen, la forma exterior del volumen debe determinarse con precisión y usarse para analizar los datos. [ cita requerida ]
{{cite web}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace ){{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )En el verano de 2011, se tomó una imagen de una maqueta del reactor utilizando Muon Mini Tracker (MMT) en Los Alamos (altitud de 2231 m).
MIDDLEBURG, Virginia, 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 otorgado un contrato para respaldar la recuperación del complejo nuclear de Fukushima Daiichi con el uso de los revolucionarios detectores de seguimiento de muones de DSIC.
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