космическое излучение - Самое интересное в блогах

Rewiever

Космические мюоны помогут геологоразведке

Пятница, 28 Февраля 2025 г. 22:44 (ссылка)

Томограмма для урана и золота: как мюоны помогают геологам

Российские ученые разработали прибор, определяющий плотность объектов в разведочной скважине. В перспективе он поможет значительно сократить затраты на буровые работы. Рассказываем, как мюоны помогают получать важную геологическую информацию.

Справка

Мюон часто называют тяжелым электроном: по характеристикам эти элементарные частицы очень похожи, только мюон в 207 раз массивнее. На Земле мюоны преобладают в потоке вторичного космического излучения — как продукт распада заряженных пи и ка-мезонов, образующихся при взаимодействии стабильных частиц первичного космического излучения (протонов) с ядрами атомов верхних слоев атмосферы.

/сх. - elementy.ru/

Мюоны нестабильны и в собственной системе отсчета живут чуть больше 2 мкс, но к нам они прилетают с субсветовыми скоростями, поэтому по часам земного наблюдателя проживают как минимум на порядок дольше, успевая не только пройти всю атмосферу, но и проникнуть глубоко под землю.

Вместо бура

Геологоразведка — дело затратное и рискованное. Нужны большие средства, чтобы снарядить экспедицию и провести геологоразведочные работы— и это без гарантий, что найдутся богатые залежи. Самый достоверный источник геологической информации — образцы горной массы, керн. Его извлекают из разведочных скважин. Сейчас один погонный метр бурения стоит 12–25 тыс. рублей, и цена продолжает расти. Заказчики стремятся снизить затраты, используя геофизические и геохимические методы. Один из новейших— мюонная томография.

Идея приспособить поток космических мюонов для нужд геологоразведки возникла давно, реализовали её лишь несколько лет назад, протестировав в Канаде на урановых месторождениях. «Мы с коллегами из Троицка обсудили возможность применить этот метод на наших объектах, и специалисты взялись за разработку», — рассказывает заместитель гендиректора Эльконского горно-металлургического комбината (ГМК) по стратегическому развитию Юрий Трубаков. В 2023–2024 годах в рамках единого отраслевого тематического плана выполнили первый этап научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Заказчик— Эльконский ГМК (входит в контур управления компании «Росатом Недра»), исполнитель— научный институт в Троицке (ИЯИ РАН), изготовивший полнофункциональный образец мюонного томографа из четырех модулей.

На глубине…

Модуль— это трубка из нержавеющей стали длиной 2,4 м и диаметром 89 мм. В ней размещен позиционно-чувствительный детектор— сцинтилляционное оптоволокно, кремниевые фотоумножители (SiPM), электронная система управления и считывания сигналов с первичной обработкой данных, а также электронный компас с инклинометром, который фиксирует отклонение скважины от вертикали.

В скважине можно установить один или несколько модулей на разной глубине. Действуют они независимо друг от друга. При встрече мюона с оптоволокном выделяется энергия и высвечиваются фотоны. Их регистрирует кремниевый фотоумножитель. Детектор восстанавливает и передает на мобильную вычислительную станцию траекторию всех зарегистрированных мюонов.

Прибор детектирует мюоны в пределах конуса, вершина которого — детектор в скважине, а основание — на поверхности. У детекторов на разной глубине разная геометрия конусов. Создается несколько двумерных угловых проекций. Проекции из соседних скважин пересекаются, что улучшает точность трехмерной картины распределения плотности.

«Физический принцип мюонной радиографии основан на ослаблении мюонного потока в недрах из-за электромагнитных процессов: ионизации, тормозного излучения, рождения электрон-позитронных пар»,— рассказывает научный руководитель проекта Александр Голубев.— «Энергетические потери заряженных частиц, вызванные ионизационными процессами за счет кулоновского взаимодействия с электронами атомов среды, пропорциональны отношению эффективного атомного заряда к эффективному атомному весу вещества, где происходит торможение. Поэтому прохождение через вещество с большим зарядовым числом приводит к большему ослаблению и, следовательно, изменению интенсивности потока мюонов в этой области».

Чем ближе к поверхности детектор, тем больше мюонов он регистрирует в единицу времени. Чем дальше — тем меньше мюонов доходит до детектора. Так, на глубине порядка 50 м детектор набирает необходимый объем статистических данных за несколько дней, ниже — за несколько недель. Впрочем, «необходимый» — понятие относительное: чем дольше стоит детектор, тем больше данных и тем точнее результат.

…и на поверхности

Программное обеспечение ученых троицкого института обрабатывает данные нескольких проекций и реконструирует распределение плотности в трех измерениях. Томографическая реконструкция — это параллелепипед. По вертикали он строится от нижнего детектора до высшей точки на поверхности. Максимальная длина по горизонтали — 400 м. Чудес ждать не стоит, геолог не увидит на экране мобильной вычислительной станции слов «золото» или «уран». На нем будут визуализированы объекты различной плотности и определены средние плотности горной массы в каждой элементарной ячейке — на них делится моделируемый объем. Визуализация возможна в трех измерениях и в двух, в виде срезов.

Образец томографа проверили в институте на ударном генераторе. «Он расположен на бетонном основании высотой около 6 м, да и сам по себе немаленький, внутри катушка и прочее оборудование», — рассказывает Александр Голубев. За четыре дня построены угловые гистограммы распределения плотности, точность определения средней плотности— лучше 5 %. Иначе говоря, если разница в массовой толщине более 5 %, прибор зафиксирует различие. На основе измерения потока мюонов была выполнена трехмерная реконструкция формы и плотности тестового объекта.

Проверили работоспособность мюонного томографа и на его цифровом двойнике. Модель, куда ввели данные из геологической карты, определила положение браннеритового пласта (браннерит— урансодержащий минерал) во вмещающих породах.

Заказчики результатом довольны. Полевые испытания намечены на 2025–2026 годы. Скважинную мюонную томографию проведут на золотоурановом месторождении Элькон. «Задача — подтвердить, что данные мюонной томографии совпадают со сведениями, полученными обычными методами. Затем — утверждение методики в Роснедрах, чтобы Государственная комиссия по запасам, ГКЗ, принимала данные мюонной томографии. Тогда метод можно будет использовать при постановке запасов на баланс и утверждении технико-экономического обоснования временных и постоянных кондиций», — объясняет Юрий Трубаков. Элькон выбран потому, что на нем по требованию ГКЗ необходимы дополнительные геологоразведочные работы (месторождение открыли в начале 1960‑х, и нынешний этап освоения будет четвертой попыткой). Кроме того, Эльконский ГМК планирует испытать мюонную томографию наИ.Дорохова,Г.Д месторождениях золота.

По замыслу троицких ученых, их прибор должен снизить затраты на бурение. Так, при обычном разбуривании 1 км2 по сети 100×100 м требуется 100 скважин. Благодаря просвечиванию недр количество скважин можно сократить до 10.

Опубликовано: Ирина Дорохова, газета «Страна Росатом»

Комментарии (0)Комментировать В цитатник или сообщество

eco-pravda

Нуклотрон ОИЯИ - космической радиобиологии

Пятница, 14 Июня 2024 г. 20:21 (ссылка)

В помощь космическим пилотам

Создана модель, просчитывающая радиационное поле внутри космических аппаратов

Актуальной задачей космической радиобиологии является оценка радиационного риска для космонавтов, совершающих межпланетные перелеты, в частности полета на Марс. Во время перелета внутри космических аппаратов формируется сложное радиационное поле излучения, обусловленное взаимодействием галактического космического излучения (ГКИ) с аппаратом.

13jn24_KTvnZe2 (349x232, 50Kb) Это излучение представлено высокоэнергетичными заряженными частицами: от протонов вплоть до ядер никеля. Подобное поле излучения количественно и качественно отличается от земного. Поэтому экспериментальные исследования в области космической радиобиологии в силу специфичности космической радиации ведутся в земных условиях на ускорителях заряженных частиц, так как на данный момент нет иных способов получения столь высокоэнергетичных ядер. Однако при проведении экспериментов обнаруживается ряд существенных проблем, например, они не могут в полной мере воспроизвести весь набор присутствующих в космосе частиц.

Для решения этой проблемы сотрудниками лаборатории радиационной биологии (ЛРБ) Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) была разработана и исследована математическая модель облучательной установки (симулятора ГКИ). Результаты проведенных исследований доказывают работоспособность предлагаемого подхода. Симулятор, построенный по предлагаемой схеме, может быть реализован на проектируемых в рамках проекта NICA каналах для прикладных исследований на нуклотроне ОИЯИ. Этот симулятор может послужить уникальным инструментом, при помощи которого возможно будет изучать воздействие космического излучения на биологические объекты или электронику.

Зарегистрированная программа предназначена для визуализации исходных и результирующих данных, а также параметров компьютерной модели симулятора. Простейшая схема симулятора состоит из нескольких конвертеров, которые собираются из цилиндрических секторов мишеней различных толщин. Мишени в основном состоят из полиэтилена с включением железа. Примером выполнения программы является график относительного распределения частиц модели симулятора, а также визуальное изображение исходных и результирующих дифференциальных спектров плотности потока частиц.

Иван Гордеев, аспирант Инженерно-физического института (ИФИ) Государственного университета «Дубна», ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что изучает космическая радиобиология?

— Одно из направлений радиобиологии — космическая радиобиология, в рамках которой изучают действие ионизирующего излучения, которое может встречаться в космосе, например тяжелых заряженных частиц, на биологические объекты.

— Что такое нуклотрон и зачем он нужен?

— Это уникальный сверхпроводящий ускоритель (синхротрон), созданный в ОИЯИ. Данный ускоритель является частью ускорительного комплекса NICA и позволяет получать пучки протонов и многозарядных ионов.

— Расскажите подробнее о проекте NICA.

— NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — это новый ускорительный комплекс. Он разработан в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна, Россия) с целью изучения свойств плотной барионной материи. В лаборатории комплекса ученые ОИЯИ смогут создать особое состояние вещества, в котором наша Вселенная пребывала вскоре после Большого взрыва,— кварк-глюонную плазму (QGP). Комплекс позволяет изучать важные проблемы физики. Например, природу и свойства сильных взаимодействий между элементарными составляющими Стандартной модели физики элементарных частиц — кварками и глюонами. С помощью ускорителя ученые ищут признаки фазового перехода между адронной материей и QGP и новые фазы барионной материи, изучают основные свойства вакуума.

NICA обеспечит широкий спектр пучков: от протонов и поляризованных дейтронов до очень массивных ионов золота. Тяжелые ионы будут ускорены до кинетической энергии 4,5 ГэВ на нуклон, протоны — до 12,6 ГэВ. Сердцем комплекса NICA является модернизированный ускоритель «Нуклотрон» (работает в ОИЯИ с 1993 года). На кольцах коллайдера NICA предусмотрены две точки взаимодействия: одна для исследований тяжелых ионов с детектором MPD, а другая для поляризованных пучков в эксперименте SPD.

— Как конкретно будет использоваться предлагаемый симулятор в исследованиях на нуклотроне?

— Сначала необходимо разработать и построить прототип симулятора, это может быть выполнено на основании проведенного компьютерного моделирования. Симулятор может быть размещен на выведенном пучке из нуклотрона. Для этого в рамках комплекса NICA существуют каналы для прикладных исследований, в частности Станция исследований медико-биологических объектов (СИМБО).

— Как можно будет использовать полученные данные в реальных космических полетах?

— Результаты исследований, полученные при помощи симулятора, позволят оценить риски, связанные с космическим излучением. При помощи симулятора возможно моделировать смешанное радиационное поле, близкое по своим характеристикам к полю излучения, которое формируется внутри космических аппаратов за время межпланетных перелетов. То есть установка предназначена для исследований перед полетом. Это уникальный инструмент, при помощи которого можно оценить воздействие излучения не только на живые организмы, но и на аппаратуру, которая будет находиться на борту космических аппаратов.

Опубликовано: «КоммерсантЪ - Наука» - 13.06.2024