伯克利实验室牵头开发可移动主动源μ子成像仪

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室与 Ideon Technologies 获得能源部高级研究计划署(ARPA-E)资助，将通过“基于基石传感技术的可靠矿体表征”(ROCKS)计划，联合开发一种可现场部署的主动源μ子成像技术。该项目周期为三年，目标是提升地下关键矿产资源的探测和表征能力。

图片来源：劳伦斯伯克利国家实验室

μ子是一类具有较强穿透能力的亚原子粒子。此前，Ideon Technologies 已在采矿领域利用宇宙射线在大气中产生的“被动”μ子开展矿体成像，用于绘制矿藏分布和分析地下结构。不过，被动μ子主要来自上方，探测角度受限;同时自然通量较低，约为每平方厘米每分钟一个，成像往往需要数天、数周甚至数月。

此次项目拟开发的“主动式”μ子源，将通过高通量μ子束定向照射矿体等目标区域，生成高分辨率三维图像。项目方表示，这一技术有望把矿物发现和表征所需时间从数月缩短至数小时，从而加快从勘查到开发的进程。

该技术路线依托伯克利实验室加速器技术与应用物理部门 BELLA 中心的激光等离子体加速器。该类加速器利用高强度、超短激光脉冲在等离子体中产生尾场，将电子束在厘米级距离内加速至数吉电子伏特能量;随后电子束轰击固体靶，产生强度高于自然通量三到四个数量级的μ子束。

项目负责人介绍，约10吉电子伏特能量的μ子可穿透厚达20米的岩石、土壤和矿层;能量在30至100吉电子伏特范围内的μ子则可穿透50米至100多米厚的物体。伯克利实验室此前已演示单级加速10吉电子伏特电子束并使其在30厘米范围内运动。本项目计划耦合两个约6吉电子伏特的线性等离子体加速级，实现超过12吉电子伏特的加速，并为后续30吉电子伏特和100吉电子伏特系统验证技术路径。

为实现两级加速，项目将使用主动等离子体透镜重新聚焦高能电子束，并配合高反射率等离子体镜保持激光特性，使电子束能够在不同加速级之间传递并继续增能。这一设计是获得更高能量、更强穿透力μ子束的关键。

根据分工，伯克利实验室加速器技术与应用物理部门负责硬件和两级12吉电子伏特电子源开发;Ideon Technologies 将提供μ子层析成像、探测器阵列、物理模拟和地质软件能力;伯克利实验室物理部门将提供μ子仪器和粒子追踪诊断技术，用于优化μ子束。

项目团队认为，该技术除用于关键矿产勘探外，还可用于识别地下空洞、裂隙和洞穴，在土木工程、工业安全、关键基础设施等场景中具有潜在应用价值。