使用粒子阵雨扫描结构内部

地球不断受到宇宙粒子的撞击。高能μ介子可以轻松穿透数米的钢铁或混凝土。德国独立研究机构亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫中心 (HZDR) 的一个团队致力于利用这种不可避免的背景辐射的潜力来观察工业设施或结构的内部。问题在于欧洲核子研究中心等研究中心用于高能物理的μ子探测器灵敏度高且价格昂贵。这就是为什么 HZDR 的断层扫描专家现在正在开发一款演示器——一种用于无损状态监测的低成本、大规模、高分辨率的 μ 子探测器。作为转让活动的一部分，亥姆霍兹协会将在两年内为该项目提供 50 万欧元的资金。该项目定于2023年7月1日启动。

根据联邦公路研究所的数据，德国十分之一的桥梁已经年久失修。对混凝土钢筋的腐蚀会产生重大影响，这就是定期检查桥梁的原因。在基础材料行业中，对生产设施的持续监控也至关重要，这会产生巨大的成本。高达 50 米的蒸馏塔、大型铸钢厂和垃圾焚烧回转窑必须停止运行，因为这是检测磨损迹象的唯一方法。目前存放在德国 17 个临时储存设施储存桶中的乏燃料元件的状况又如何呢?

“理论上，μ 介子成像是此类应用的理想选择，”HZDR 流体动力学研究所系主任 Uwe Hampel 教授强调。例如，3月初，媒体再次报道了2017年在拥有4500年历史的吉萨大金字塔中发现的一个房间。考古学家的感觉很大程度上归功于μ子成像。

μ子是宇宙射线的组成部分。带电粒子能量极高，可以深入材料内部。这就是为什么高分辨率探测器可用于获取大型工业设施和结构内部的三维图像。

“然而，现有的探测器类型对于监测来说不够稳健，而且太昂贵，”能源和过程工程成像技术专家解释道。成本驱动因素一方面是复杂的制造，另一方面是高分辨率图像所需的电子通道数量。

巧妙的调整以获得廉价且坚固的探测器

人们希望新的想法现在能够帮助μ子成像实现突破：其中一个想法是一种具有特殊电子矩阵结构的探测器概念，Hampel的团队最初为专利线网传感器设计了这种结构。

“我们结构的特点是能够在该区域高效定位和传输信号，然后使用内部开发的算法对其进行评估。我们已经成功地将这个方案转移到μ介子探测器上。”工程师报告道。

原则上，该矩阵结构不仅适用于气体电离探测器的线电极，也适用于闪烁探测器的光纤。还有一个优点：由于采用了复杂的寻址方案，电子通道的数量和探测器的成本都可以大大减少。

在已获得 50 万欧元资助的 MYTOS 项目中，HZDR 的专家正在承担对不同探测器原理进行比较分析的任务。“我们特别感兴趣的是测试探测器是否在工业环境中(即在温度波动或振动的情况下)表现出稳健性，”Hampel 解释道。

凭借所获得的知识，他和他的经验丰富的测量工程师和科学家团队计划构建一个原型并与潜在用户合作进行实验测试。船上的还有巴斯夫、EWN Entsorgungswerk für Nuklearanlagen [EWN 核废料处理厂] 和 Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung [联邦材料研究与测试研究所，BAM]。

到目前为止，这个想法仅限于使用模块化移动探测器定期检查植物和结构。但 Uwe Hampel 正在追求一个清晰的愿景：“从长远来看，我们希望降低传感器和测量技术的成本，使固定长期监测变得可行。”

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