μ子能損超前探測技術研究

席振銖，劉駿華，何航，王亮，彭星亮，周勝, ，王鶴

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μ子能損超前探測技術研究

席振銖1, 2，劉駿華1，何航1，王亮3，彭星亮1，周勝1, 3，王鶴1, 2

(1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 教育部有色金屬成礦預測重點實驗室，湖南 長沙，410083；3. 湖南五維地質科技有限公司，湖南 長沙，410205)

依據宇宙射線μ子穿過高密度體物質時能量損失比穿過低密度體物質時的大的物理特性，推導電離損失、韌致輻射、電子偶衍生以及核相互作用的能損數學表達式，運用Geant4軟件分別模擬μ子探測充填空氣和水的溶洞穿透過程，記錄其能量，構建μ子入射與出射能損成像，并與其散射成像圖進行對比。研究結果表明：μ子能損成像有效解決了μ子散射對相近原子序數的元素組成物質分辨率低的問題，有望利用μ子低能損成像實現對充氣和水等低密度空洞的超前探測，為超前探測提供一種新的探測方法。

μ子；能量損失；超前探測；溶洞

地質超前探測技術是一個國際前沿研究課題，人們對有關隧道地質超前預報技術研究應用已有40多年，但是預報的準確性和可靠性與隧道工程施工要求還有一定差距。早期地質超前預報主要是采用超前導洞、超前鉆探方法勘探掌子面前方的地質情況，由于其效率較低、成本較高，因而人們逐步對無損地球物理超前探測技術進行研究[1]。目前，無損隧道超前預報技術主要有地震反射、地質雷達、直流電阻率、瞬變電磁、激發極化以及核磁共振等方法[2]，由于這些方法本身的分辨率較低、探測距離較短以及受隧道施工有限場地等因素制約，無損地球物理超前探測技術預報的準確率和探測距離亟需進一步提高。近20年來，宇宙μ子探測技術取得突破性進展。2003—2006年，LANL美國國家實驗室科學家先后提出了最快徑跡成像算法(point of closest approach, PoCA)、最大似然散射重建算法(the maximum likelihood scattering, MLS)以及最大似然散射與位移重建算法(the maximum likelihood scattering and displacement, MLSD)，實現了利用μ子對物體的散射成像計算[3?4]，奠定了μ子物理模擬基礎。劉圓圓等[5?7]致力于μ子在高原子序數物質上的成像效果研究，分別對MLS和 MLSD 算法進行改進，提出了MLS-OSEM 和MLSD-OSEM 算法，提高了成像計算速度。LESPARRE等[8?9]針對標準巖石厚度與μ子穿透能量的理論計算及運用Soudan II探測器在地下700 m成功對月亮成像，證明μ子可以穿透地下幾千米巖石層；DARIJANI等[10]應用μ子技術探測伊朗Pabdana煤礦厚度；SARACINO等[11]應用μ子技術探測那不勒斯Mt. Echia地下洞穴；MORISHIMA等[12]利用μ子對胡夫金字塔進行成像，利用宇宙射線μ子成像技術發現了埃及吉薩最大的金字塔——胡夫金字塔內的1個隱藏結構?？梢?，隨著μ子成像技術以及探測器的進步，應用μ子成像技術開展超前地質預報成為可能。

1 能損成像原理

當高能量的初級宇宙射線進入大氣層時，會與大氣中的原子核連續發生作用，產生大量次級粒子。在這些次級粒子中，大部分次級粒子為π介子，分別帶有3種不同的電性：帶正電的π+介子、帶負電的π?介子和中性介子π0，這3種粒子的數目都近乎相等。帶正電的π+介子很快會衰變為μ子和μ子中微子，而帶負電的π?將衰變成μ子和反μ子中微子，中性介子π0則很快會衰變為光子[13]。

通過測量μ子在通過物體時前后的角度偏差，可以確定物質的原子序數。散射角度偏差越小，則散射程度越小，物體的原子序數也越小，這是μ子在基于散射角偏差上成像的物理基礎[17?18]。但對于原子序數差別不大的物質探測，散射成像相對困難，而μ子能損成像具有較大優勢。

當μ子穿透物質時，其能量損失主要表現為電離損失(I)、韌致輻射(B)、電子偶的產生(P)以及核相互作用(N)這幾種形式。設為面密度，其表達式為

設為μ子入射能量，則能量損失可以寫為

式中：=lg。除少數情況外，幾乎所有巖石的原子序數和質量比例都相同，區別在于各自的密度不同。密度和能量關系為

當μ子穿過密度為1 g/cm2的物質時，能量損失約為2.2 MeV[19]，因此，可以觀測μ子穿過不同密度的圍巖和溶洞時能量的衰減程度圈出溶洞，實現對低密度地質災害的超前探測。

將μ子探測器置于隧道、坑道以及平硐等地下空間時，通過不同的陣列布置，接收來自于各方向上的μ子，記錄其能量分布，得到μ子在各方向穿透地質體時的能量損失Δ，如圖1所示。

2 巖溶仿真模擬

由于Geant4軟件對模型邊界條件有一定要求，本次模擬圍巖的邊界是有限的。為了計算方便，圍巖設計長×寬×高為16 cm×16 cm×4 cm的長方體，探測目標球體溶洞的半徑為2 cm，球心與長方體的中心重合。其中長方體背景圍巖設定為碳酸鹽巖，主要化學成分為CaCO3，其元素組成(質量分數)為Ca 40%，C 12%，O 48%，密度為2.9 g/cm3；在溶洞球體內部分別填充空氣和淡水，模擬μ子能損探測溶洞過程。

2.1 充填空氣巖溶模擬實驗

地下巖溶極易形成空洞，隧道施工容易造成地面塌方，對人員和設備安全具有重大危害。在一般情況下，空洞充填空氣主要物質成分是氮氣和氧氣，且氮氣的體積分數約為78%，氧氣的體積分數約為21%，密度為1.29 mg/cm3。為了計算簡便，假設空洞為球體，圍巖為長方體，球心與正方體幾何對稱中心重合，并建立圖2所示三維直角坐標系。以模型中心為坐標原點，粒子入射方向向量為(0，0，1)，平行軸入射，發射200束能量為4 GeV的μ子，穿透長方體灰巖圍巖和球狀溶洞，其中入射和出射探測器位于=?2和=2的16 cm×16 cm長方體表面上，分別記錄μ子入射和出射能量。

圖1 μ子探測溶洞原理示意圖

圖2 溶洞填充空氣仿真試驗示意圖

如圖2所示，當μ子穿透模型時，由于電離損失、韌致輻射、電子偶衍生以及核相互作用，射線方向發生細微的偏轉并產生大量電子，造成能量損失。

2.2 充水巖溶模擬實驗

若巖溶充水，則隧道施工時容易造成透水事故。超前探測巖溶充水是地下工程施工預報地質災害最重要的工作之一。一般來說，溶洞充填淡水，其結構式為H2O，密度為1 g/cm3。圍巖參數與上述實驗參數相同，同樣發射200束能量為4.000 GeV的μ子，觀察其能量變化，所得結果見圖4。

從圖4 (a)和圖4 (b)可見：盡管μ子在入射面能量分布隨機，沒有規律性，但出射能量在模型中心部位幅值較大，而且等值線稀疏均勻，能量差異較小，其他位置能量幅值減弱，等值線變化較大，說明能量差異較大。通過μ子在穿越背景場和目標體時的能量損失Δ的位置分布(圖4(c))可見：粒子在穿過模型時，模型中心位置呈現出1個能量低于30.000 MeV的低能異常，跨度范圍在?2＜＜3 cm，?2＜＜2 cm之間，異常邊界形態雖與實際溶洞形態相比存在失真現象，但異常位置在設計模型中心，范圍與正演模型比對相差不大，反映了充水巖溶低密度的特征。其他位置的能量損失大都大于0.030 GeV，是相對高密度灰巖的反映。

(a) 入射能量；(b) 出射能量；(c) 虧損能量

(a) 入射能量；(b) 出射能量；(c) 虧損能量

3 能損與偏角成像比對

為了驗證能損成像效果，采用上述能損仿真模型和仿真過程，分別模擬充氣和充水μ子偏角成像，模擬結果如圖5所示。

從圖5(a)可以看出：μ子在穿越空氣溶洞時偏轉角度均未超過4 mrad，溶洞所在位置出現低異常，但異常形態呈現出不規則橢圓形狀，與實際模型比對發現存在失真現象。從圖5(b)可見：μ子在穿越充水溶洞時，異常的偏轉角度為1~5 mrad，由于其物質組成元素皆為低原子序數元素，因此，溶洞弧度偏轉角與灰巖圍巖的偏轉角度相差較小，成像邊界不夠清晰。

為了突出異常，設定μ子能損20 MeV和偏角 3 mrad為異常邊界，構建巖溶μ子能損與偏角成像異常比對分布圖，如圖6所示。當溶洞內部填充物質為空氣時，能損和偏角成像二者均能準確反映異常所在位置，但能損成像反映異常邊界和大小的效果明顯優于弧度偏轉成像；而當溶洞內部填充物質為水時，由于水與碳酸鹽巖的組成元素原子序數相近，從弧度偏轉圖中無法判定出異常位置，而能損成像效果則更明顯，從而有效解決了μ子散射對相近原子序數元素組成物質分辨率低的問題。

(a) 充氣巖溶μ子偏轉；(b) 充水巖溶μ子偏轉

(a) 充氣巖溶μ子偏轉；(b) 充水巖溶μ子偏轉

4 結論

1)低密度的空氣和水充填的巖溶相對高密度的灰巖圍巖μ子能量虧損較小，利用相對圍巖μ子低能損成像異常反映超前預報前方的溶洞。

2)μ子能損成像有效解決了μ子散射對相近原子序數元素組成物質分辨率低的問題。

3) 采用μ子能損可探測不同介質的充填物，所反映的異常形態不盡相同，充填水介質相對空氣介質巖溶形態失真較大。

4) 利用現有隧道、巷道以及平硐等地下空間布置探測器，有望實現μ子的地下超前探測，為地質超前探測提供一種新的探測方法。

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(編輯 陳燦華)

Research on muon advanced detection technology

XI Zhenzhu1, 2, LIU Junhua1, HE Hang1, WANG Liang3, PENG Xingliang1, ZHOU Sheng1, 3, WANG He1, 2

(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Key Laboratory of Nonferrous Metal Metallogenic Prognosis of Ministry of Education, Changsha 410083, China; 3. Hunan 5D Geophyson Co. Ltd., Changsha 410205, China)

Based on that when cosmic ray muon penetrates high density material, the energy loss of cosmic ray muon is greater than that when it penetrates the low density material, the mathematical formula of ionization loss, bremsstrahlung, electron pair and nuclear interaction energy loss were deduced. Then, the Geant4 software was used to simulate the process that muon penetrated the karst cave filled air and water, record incident energy and ejection energy and construct the image of energy loss of muon, and muon low energy imaging was compared with its scattergram. The results show that muon energy loss imaging can effectively solve the problem of low resolution of muon scattering for elements with similar atomic number components, and muon low energy imaging is expected to be used in advanced detection with low density cavity filled with air and water, and it will provide a new way for advanced detection.

muon; energy loss; advanced detection; karst cave

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.016

P631

A

1672?7207(2018)11?2753?06

2018?03?10；

2018?05?11

國家重點研發計劃專項(2016YFC0303100)；國際海域資源調查與開發“十三五”計劃項目(DY135-S1-1-07) (Project(2016YFC0303100) supported by the National Key R & D Plan; Project(DY135-S1-1-07) supported by the “13th Five-Year Plan” of International Sea Area Resources Survey and Development)

席振銖，博士，教授，從事電磁法勘探理論與應用研究；E-mail: xizhenzhu@163.com