التصوير المقطعي بالميون

بعد عشرين عامًا من اكتشاف كارل ديفيد أندرسون وسيث نيدرمير أن الميونات تتولد من الأشعة الكونية عام 1936، ^{[ 13 ]} قام الفيزيائي الأسترالي إي بي جورج بأول محاولة معروفة لقياس الكثافة السطحية للطبقة الصخرية التي تغطي نفق جوثيغا - مونيانغ (جزء من مشروع جبال سنووي للطاقة الكهرومائية ) باستخدام الميونات الناتجة عن الأشعة الكونية. ^{[ 14 ]} استخدم عداد جايجر . ورغم نجاحه في قياس الكثافة السطحية للطبقة الصخرية الموضوعة فوق الكاشف، بل ومطابقة النتائج مع نتائج عينات اللب ، إلا أن التصوير كان مستحيلاً بسبب افتقار عداد جايجر إلى الحساسية الاتجاهية.

في تجربة شهيرة في ستينيات القرن الماضي، استخدم الفيزيائي الأمريكي لويس والتر ألفاريز تقنية تصوير انتقال الميونات للبحث عن حجرات مخفية في هرم خفرع بالجيزة ، على الرغم من عدم العثور على أي منها آنذاك؛ ^{[ 15 ]} وفي جهد لاحق تم اكتشاف ^{[ 16 ]} فراغ غير معروف سابقًا في الهرم الأكبر . وفي جميع الحالات ، استُخدمت معلومات امتصاص الميونات كمقياس لسمك المادة التي تعبرها جسيمات الأشعة الكونية.

أُنتج أول مخطط للميونات عام 1970 على يد فريق بقيادة لويس والتر ألفاريز، ^{[ 17 ]} الذي قام بتركيب جهاز كشف في حجرة بلزوني بهرم خفرع للبحث عن غرف مخفية داخله. سجّل ألفاريز عدد الميونات بعد مرورها عبر الهرم. وبفضل اختراعه لتقنية تتبع الجسيمات هذه، طوّر طرقًا لتوليد مخطط الميونات كدالة لزوايا وصول الميونات. قورن مخطط الميونات الناتج بنتائج المحاكاة الحاسوبية، وخلص إلى عدم وجود غرف مخفية في هرم خفرع بعد تعريض الجهاز للهرم لعدة أشهر.

أدى العمل الرائد لتاناكا ونيوا إلى ابتكار التصوير الميوني الفيلمي، الذي يستخدم مستحلبًا نوويًا . وقد مكّنهم هذا التصوير من الحصول على أول صورة داخلية لبركان نشط في عام 2007، ^{[ 18 ]} كاشفًا عن بنية مسار الصهارة لبركان أساما . تم التقاط صور للمستحلبات النووية باتجاه البركان، ثم تحليلها باستخدام مجهر مسح ضوئي تم ابتكاره حديثًا، ومصمم خصيصًا لغرض تحديد مسارات الجسيمات بكفاءة أكبر. ^{[ 19 ]}

في عام 1968، استخدمت مجموعة ألفاريز غرف شرارة مزودة بشاشة عرض رقمية لتجربة الهرم. تم تسجيل بيانات التتبع من الجهاز على شريط مغناطيسي في غرفة بلزوني، ثم جرى تحليل البيانات بواسطة حاسوب IBM 1130 ، ولاحقًا بواسطة حاسوب CDC 6600 الموجود في جامعة عين شمس ومختبر لورانس للإشعاع، على التوالي. ^{[ 17 ]} وبالمعنى الدقيق، لم تكن هذه قياسات آنية.

تتطلب تقنية التصوير الميوني الفوري استخدام مجسات الميونات لتحويل الطاقة الحركية للميون إلى عدد من الإلكترونات، وذلك لمعالجة أحداث الميونات كبيانات إلكترونية بدلاً من كونها تغيرات كيميائية على الفيلم. يمكن معالجة بيانات التتبع الإلكتروني بشكل فوري تقريبًا باستخدام معالج حاسوبي مناسب؛ في المقابل، يجب تحميض بيانات التصوير الميوني الفيلمي قبل رصد مسارات الميونات. ينتج عن التتبع الفوري لمسارات الميونات صورًا ميونيةً فوريةً يصعب أو يستحيل الحصول عليها باستخدام التصوير الميوني الفيلمي.

يتمتع كاشف MicroMegas بدقة تحديد المواقع تبلغ 0.3  مم، وهي أعلى بمقدار عشرة أضعاف من دقة الجهاز القائم على الوميض (10  مم)، ^{[ 20 ] [ 21 ]} وبالتالي لديه القدرة على إنشاء دقة زاوية أفضل للتصوير المجهري.

استُخدمت الميونات لتصوير حجرات الصهارة بهدف التنبؤ بالانفجارات البركانية . ^{[ 22 ]} ويواصل كانيتادا ناغامين وآخرون ^{[ 23 ]} أبحاثهم النشطة في مجال التنبؤ بالانفجارات البركانية باستخدام التصوير الإشعاعي لتوهين الأشعة الكونية. استخدم ميناتو ^{[ 24 ]} عدّ الأشعة الكونية لتصوير بوابة معبد كبيرة بالأشعة. أفاد إميل فرليز وآخرون ^{[ 25 ]} باستخدام طرق التصوير المقطعي لتتبع مرور الميونات الكونية عبر بلورات يوديد السيزيوم لأغراض مراقبة الجودة. استندت جميع هذه الدراسات إلى إيجاد جزء من المادة المصورة ذي كثافة أقل من باقي أجزائها، مما يشير إلى وجود تجويف. يُعدّ تصوير انتقال الميونات الطريقة الأنسب للحصول على هذا النوع من المعلومات.

في عام 2021، كشف جيوفاني ليون وفريقه أن وتيرة ثوران البراكين مرتبطة بكمية المواد البركانية التي تتحرك عبر قناة قريبة من السطح في بركان نشط. ^{[ 26 ]}

استُخدمت تقنية التصوير الميوني لرسم خرائط داخلية لمنشآت هندسية مدنية ضخمة، مثل السدود، ومحيطها لأغراض السلامة والوقاية من المخاطر. ^{[ 42 ]} طُبقت تقنية التصوير الميوني لتحديد مواقع أعمدة البناء المخفية فوق نفق ألفرتون القديم (الذي شُيّد عام 1862) في المملكة المتحدة. ^{[ 43 ]}

تم تطبيق التصوير الميوني لدراسة حالة المفاعلات النووية المتضررة من كارثة فوكوشيما النووية ، وساعد في تأكيد حالة الانصهار شبه الكامل. ^{[ 44 ]}

مفاعل لوس ألاموس الخرساني

في صيف عام ٢٠١١، تم تصوير نموذج مصغر لمفاعل نووي باستخدام جهاز تتبع الميونات المصغر (MMT) في مختبر لوس ألاموس الوطني. ^{[ ٤٧ ]} يتكون جهاز MMT من جهازي تتبع للميونات، كل منهما عبارة عن أنبوب انجراف مغلق. في التجربة، تم قياس الميونات الكونية وهي تمر عبر هيكل مصنوع من الخرسانة والرصاص ، وهما مادتان مشابهتان للمفاعل. يتكون النموذج من طبقتين من كتل الخرسانة الواقية، وهيكل من الرصاص بينهما؛ تم تركيب أحد جهازي التتبع على ارتفاع ٢٫٥ متر (٨ أقدام وبوصتين) ، بينما تم تركيب الآخر على مستوى الأرض في الجانب الآخر. تم تصوير الرصاص، الذي يحتوي على تجويف مخروطي الشكل مشابه في شكله للنواة المنصهرة لمفاعل ثري مايل آيلاند، من خلال الجدران الخرسانية. استغرق الأمر ثلاثة أسابيع لتجميع ٨ × ١٠ ^ ^٤ حدث ميون. استند التحليل إلى نقطة أقرب اقتراب، حيث تم إسقاط أزواج المسارات على المستوى المتوسط ​​للهدف، وتم رسم زاوية التشتت عند نقطة التقاطع. تم تصوير هذا الجسم التجريبي بنجاح، على الرغم من أنه كان أصغر بكثير مما كان متوقعًا في فوكوشيما دايتشي بالنسبة لمتتبع الميون المقترح في فوكوشيما (FMT).  

شكّلت معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية ، الموقعة عام 1968، خطوةً هامةً في مجال منع انتشار الأسلحة النووية. وبموجب هذه المعاهدة، مُنعت الدول غير الحائزة للأسلحة النووية، من بين أمور أخرى، من امتلاك أو تصنيع أو اقتناء الأسلحة النووية أو غيرها من الأجهزة المتفجرة النووية. والتزمت جميع الدول الموقعة، بما فيها الدول الحائزة للأسلحة النووية، بهدف نزع السلاح النووي الكامل .

تحظر معاهدة الحظر الشامل للتجارب النووية (CTBT) جميع التفجيرات النووية في أي بيئة. ويمكن لأدوات مثل التصوير المقطعي بالميونات أن تساعد في وقف انتشار المواد النووية قبل استخدامها في صنع سلاح نووي. ^{[ 52 ]}

تهدف معاهدة ستارت الجديدة ^{[ 53 ]} الموقعة بين الولايات المتحدة وروسيا إلى خفض الترسانة النووية بنسبة تصل إلى الثلث. وتتضمن عملية التحقق عدداً من المشكلات اللوجستية والتقنية المعقدة. وتُعدّ الأساليب الجديدة لتصوير الرؤوس الحربية بالغة الأهمية لنجاح عمليات التفتيش المتبادل.

يمكن استخدام التصوير المقطعي بالميونات للتحقق من المعاهدات لعدة أسباب مهمة. فهو أسلوب سلبي، آمن على البشر، ولا يُعرّض الرأس الحربي لجرعة إشعاعية اصطناعية. تتميز الأشعة الكونية بقدرة اختراق أعلى بكثير من أشعة غاما أو الأشعة السينية. ويمكن تصوير الرؤوس الحربية داخل حاوية محمية بدروع واقية وفي وجود عوائق. وتعتمد مدة التعريض على الجسم وتكوين الكاشف (بضع دقائق في حال التحسين). وبينما يمكن تأكيد الكشف عن المواد النووية الخاصة (SNM) بشكل موثوق، وحساب وتحديد مواقع أجسام SNM المنفصلة، ​​يمكن تصميم النظام بحيث لا يكشف عن تفاصيل حساسة محتملة لتصميم الجسم وتكوينه. ^{[ 54 ]}

يستطيع الماسح الضوئي لنظام الكشف السلبي متعدد الأنماط (MMPDS)، الموجود في ميناء فريبورت بجزر البهاما، الكشف عن المواد النووية المحمية ، بالإضافة إلى المتفجرات والمواد المهربة. يتميز الماسح بحجمه الكبير الذي يسمح بمرور حاوية شحن، مما يجعله نسخة مكبرة من جهاز Mini Muon Tracker. ثم يقوم بإنتاج صورة ثلاثية الأبعاد لما يتم مسحه ضوئيًا. ^{[ 55 ]}

يمكن استخدام أدوات مثل نظام الكشف عن المواد المتعددة (MMPDS) لمنع انتشار الأسلحة النووية. كما يمكن تطبيق الاستخدام الآمن والفعال للأشعة الكونية في الموانئ لدعم جهود منع الانتشار النووي، أو حتى في المدن، تحت الجسور، أو عند مداخل المباني الحكومية.

تم تصميم جهاز الكشف العميق تحت الماء فائق الكيلومترية (HKMSDD) كتقنية لإجراء عمليات رصد الميوجراف بشكل مستقل تحت سطح البحر بتكاليف معقولة من خلال الجمع بين مصفوفات خطية من وحدات استشعار الميوجراف مع هياكل الأنابيب تحت الماء. ^{[ 68 ]}

في التصوير الميوني تحت الماء، يمكن تصوير حركات الكتل المتغيرة مع الزمن، والتي تتكون من أو داخل أجسام سائلة عملاقة مستهدفة وأجسام صلبة مغمورة، بدقة أكبر من التصوير الميوني الأرضي. يتم كبح التقلبات الزمنية لتدفق الميونات الناتجة عن تغيرات الضغط الجوي عند إجراء التصوير الميوني تحت قاع البحر بواسطة "التأثير البارومتري العكسي" لمياه البحر. فالضغوط الجوية المنخفضة، مثل تلك الملاحظة في مركز الإعصار، تسحب مياه البحر؛ بينما تدفع الضغوط الجوية المرتفعة مياه البحر إلى الأسفل. وبالتالي، يتم تعويض تقلبات الضغط الجوي للميونات في الغالب بواسطة التأثير البارومتري العكسي عند مستويات سطح البحر. ^{[ 68 ]}

يعتمد نجاح تقنية احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) على القدرة على احتواء المواد داخل حاويات التخزين بشكل موثوق. وقد اقتُرح استخدام التصوير الميوني كأداة مراقبة لهذه التقنية. في عام 2018، دعمت دراسة استمرت شهرين جدوى استخدام التصوير الميوني لمراقبة تقنية احتجاز الكربون وتخزينه. أُجريت الدراسة في المملكة المتحدة في موقع منجم بولبي، في بئر بعمق 1.1 كيلومتر (3600 قدم) . ^{[ 69 ]} 

يُعدّ تسويق التصوير المقطعي بالميونات مجالًا متناميًا، يعتمد بشكل أساسي على الميونات الكونية الطبيعية للتصوير واسع النطاق. ومنذ مطلع الألفية الثانية، بدأت شركاتٌ حول العالم في تكييف هذه التقنية الفيزيائية للجسيمات لتطبيقات صناعية متنوعة. ومن أوائل هذه الشركات، شركة "ديسيجن ساينسز إنترناشونال"، التي تُركّز بشكل كبير على التطبيقات الأمنية، حيث تستخدم التصوير المقطعي بتشتت الميونات لفحص حاويات الشحن الكبيرة والمركبات بحثًا عن التهديدات النووية المحمية وغيرها من الممنوعات.

تتخصص شركة Ideon Technologies الكندية في مجال الاستخبارات تحت السطحية لاستكشاف المعادن والتعدين. وتركز شركات أوروبية مثل GScan الإستونية البريطانية و Muon Solutions الفنلندية على الاختبارات غير المدمرة للبنية التحتية المدنية، كما هو الحال في مشروع Structures Moonshot التابع لهيئة الطرق السريعة الوطنية البريطانية وشركة AtkinsRéalis . ^{[ 70 ]} وتنشط شركة Geoptic البريطانية أيضًا في مجال دراسات البنية التحتية. وتعمل شركة Lingacom الإسرائيلية على أنظمة تصوير تعتمد على الميونات لأغراض الأمن والمسح تحت الأرض. أما شركات أخرى، مثل Lynkeos Technology البريطانية، فقد ركزت على تطبيقات متخصصة، مثل مراقبة حاويات النفايات النووية عالية النشاط.

تُعدّ شركة MuRayTech ، المنبثقة عن GScan و DESY في هامبورغ بألمانيا، من أوائل الشركات التجارية الرائدة في مجال تطوير المصادر الاصطناعية . وتعمل الشركة في تالين بإستونيا، وهامبورغ بألمانيا، وكامبريدج بالمملكة المتحدة، وتُعنى تحديدًا بتطوير تقنية مُسرّعات الليزر والبلازما لإنتاج الميونات المُولّدة اصطناعيًا عند الطلب، وذلك لأغراض التصوير المقطعي الدقيق بالميونات في مراقبة الجودة الصناعية والتشخيص الطبي. ^{[ 5 ]}

طُرحت تقنية التصوير المقطعي لتشتت الميونات لأول مرة من قِبل كريس موريس وفريقه في مختبر لوس ألاموس الوطني (LANL). ^{[ 71 ]} تُمكّن هذه التقنية من تحديد موقع مصدر تشتت رذرفورد للميونات من خلال تتبع الميونات الداخلة والخارجة من الهدف. ونظرًا لأن أطوال الإشعاع تميل إلى أن تكون أقصر للمواد ذات العدد الذري الأعلى ، وبالتالي يُتوقع زوايا تشتت أكبر لنفس أطوال المسار، فإن هذه التقنية أكثر حساسية في تمييز الاختلافات بين المواد داخل الهياكل، ولذلك يُمكن استخدامها لتصوير المعادن الثقيلة المخفية داخل المواد الخفيفة. من ناحية أخرى، لا تُناسب هذه التقنية تصوير الهياكل الفارغة أو المواد الخفيفة الموجودة داخل المواد الثقيلة.

طبّق مختبر لوس ألاموس الوطني (LANL) وشركته المنبثقة "ديسيجن ساينسز" تقنية التصوير المقطعي متعدد السطوح (MST) لتصوير الأجزاء الداخلية للشاحنات الكبيرة وحاويات التخزين الأخرى بهدف الكشف عن المواد النووية. ^{[ 72 ]} كما طُوّر نظام مماثل يستخدم تقنية MST في جامعة غلاسكو وشركتها المنبثقة "لينكيوس تكنولوجي" لتطبيقه في مراقبة متانة حاويات النفايات النووية في موقع تخزين سيلافيلد . ^{[ 73 ]}

باستخدام التصوير المقطعي لتشتت الميونات، يُعاد بناء مسارات دخول وخروج كل جسيم. وقد أثبتت هذه التقنية جدواها في الكشف عن المواد ذات العدد الذري العالي في بيئة من مواد ذات عدد ذري ​​عالٍ، مثل اليورانيوم، أو المواد ذات العدد الذري المنخفض. ^{[ 74 ] [ 75 ]} منذ تطوير هذه التقنية في مختبر لوس ألاموس، بدأت عدة شركات باستخدامها لأغراض متعددة، أبرزها الكشف عن الشحنات النووية الداخلة إلى الموانئ وعبورها الحدود.

قام فريق مختبر لوس ألاموس الوطني ببناء جهاز تتبع الميونات المصغر المحمول (MMT). يتكون هذا الجهاز من أنابيب انجراف ألومنيوم محكمة الإغلاق ، ^{[ 76 ]} مُجمّعة في أربعة وعشرين مستوىً مربعًا، مساحة كل منها 1.2 متر مربع (4 أقدام) . تقيس أنابيب الانجراف إحداثيات الجسيمات في المحورين X وY بدقة نموذجية تصل إلى عدة مئات من الميكرومترات. يمكن نقل جهاز MMT باستخدام رافعة يدوية أو رافعة شوكية. في حال اكتشاف مادة نووية، من المهم قياس تفاصيل تركيبها لتقييم الخطر بدقة. ^{[ 77 ]} 

تستخدم تقنية التصوير الإشعاعي متعدد التشتت (MT) التصوير الإشعاعي متعدد التشتت. فبالإضافة إلى فقدان الطاقة وتوقف الأشعة الكونية، تخضع هذه الأشعة لتشتت كولوم. وينتج عن التوزيع الزاوي العديد من عمليات التشتت الفردية، مما يؤدي إلى توزيع زاوي غاوسي الشكل ذي ذيول ناتجة عن التشتت الفردي والجماعي بزوايا كبيرة. يوفر هذا التشتت طريقة مبتكرة للحصول على معلومات إشعاعية باستخدام حزم الجسيمات المشحونة . ومؤخرًا، تبين أن معلومات التشتت من الميونات الكونية تُعد طريقة مفيدة للتصوير الإشعاعي في تطبيقات الأمن الداخلي. ^{[ 74 ] [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]}

يمكن تعريف التشتت المتعدد بأنه عندما يزداد سمك الطبقة ويرتفع عدد التفاعلات، يمكن نمذجة التشتت الزاوي كتوزيع غاوسي. حيث يكون الجزء المهيمن من التوزيع الزاوي القطبي للتشتت المتعدد هو

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} \theta }}={\frac {1}{2\pi \theta _{0}^{2}}}\,\exp {\left(-{\frac {\theta ^{2}}{2\theta _{0}^{2}}}\right)}.}$

حيث θ هي زاوية تشتت الميون و θ₀ هي الانحراف المعياري لزاوية التشتت، ويتم إعطاؤها تقريبًا _بواسطة

${\displaystyle \theta _{0}={\frac {14.1\,\mathrm {MeV} }{pc\beta }}{\sqrt {\frac {X}{X_{0}}}}.}$

زخم الميون وسرعته هما p و β على التوالي، _و c هي سرعة الضوء، و X هو طول وسط التشتت، و X₀ هو طول الإشعاع للمادة. يجب دمج هذه القيم مع طيف زخم الأشعة الكونية لوصف التوزيع الزاوي.

يمكن بعد ذلك إعادة بناء الصورة باستخدام برنامج GEANT4 . ^{[ 81 ]} تتضمن هذه العمليات متجهات الإدخال والإخراج،${\displaystyle {\vec {X}}}$في و${\displaystyle {\vec {X}}}$يتم حساب التدفق الإشعاعي الساقط لكل جسيم ساقط. استُخدم التدفق الساقط المسقط على موقع النواة لمعايرة التصوير الإشعاعي النافذ (طريقة التوهين). ومن ثم، تُعاير الحسابات وفقًا لزاوية سمت التدفق.

على الرغم من الفوائد المتعددة لاستخدام الميونات الكونية في تصوير الأجسام الكبيرة والكثيفة، مثل حاويات الوقود النووي المستهلك والمفاعلات النووية، إلا أن تطبيقاتها الواسعة غالبًا ما تكون محدودة بسبب انخفاض تدفق الميونات الطبيعي عند مستوى سطح البحر، والذي يبلغ حوالي 10000 م⁻² ^{دقيقة⁻¹} . ^{وللتغلب} على هذا القيد، يجب قياس كميتين مهمتين لكل حدث ميون أثناء القياس، وهما زاوية التشتت ( θ) والزخم ( p) . لقياس زخم الميونات الكونية ميدانيًا، تم تطوير مطياف ميونات ميداني باستخدام مشعات تشيرينكوف متعددة الطبقات تعمل بالغاز المضغوط، وقد أظهر مطياف الميونات-التصوير المقطعي دقة محسّنة في تصوير تشتت الميونات المقطعي. ^{[ 82 ]}

تقنية Mu-CAT هي تقنية تجمع صورًا ميوجرافية متعددة مُسقطة لإنشاء صورة ميوجرافية ثلاثية الأبعاد. وهي، من حيث المبدأ، تُشبه التصوير الطبي المُستخدم في الأشعة (التصوير المقطعي المحوسب) للحصول على صور داخلية ثلاثية الأبعاد للجسم. ^{[ 83 ]} بينما تستخدم أجهزة التصوير المقطعي المحوسب الطبية مولد أشعة سينية دوارًا حول الجسم المستهدف، تستخدم تقنية Mu-CAT كواشف متعددة حول الجسم المستهدف والميونات الموجودة بشكل طبيعي كمجسات. يتم تطبيق إما تقنية إعادة البناء المقطعي ^{[ 84 ]} أو المسألة العكسية ^{[ 83 ]} على هذه البيانات من ملاحظات Mu-CAT لإعادة بناء الصور ثلاثية الأبعاد. ^{[ 83 ]}  

كشف جهاز Mu-CAT عن الموقع ثلاثي الأبعاد لمنطقة متصدعة أسفل قاع فوهة بركان نشط مرتبط بثوران سابق تسبب في تدفق كبير من الحمم البركانية والفتات البركاني على منحدره الشمالي. ^{[ 83 ]}

كاشف الأشعة الكونية والتصوير المقطعي السلبي ( CRIPT ) ^{[ 85 ]} هو مشروع كندي للتصوير المقطعي للميونات، يتتبع أحداث تشتت الميونات مع تقدير زخمها في الوقت نفسه. يبلغ ارتفاع كاشف CRIPT 5.3 أمتار (17 قدمًا) وكتلته 22 طنًا (22 طنًا إنجليزيًا؛ 24 طنًا أمريكيًا) . تتركز معظم كتلة الكاشف في مطياف زخم الميونات، وهي ميزة فريدة لكاشف CRIPT في مجال التصوير المقطعي للميونات. 

بعد الإنشاء والتشغيل الأوليين ^{[ 86 ]} في جامعة كارلتون في أوتاوا ، كندا ، تم نقل كاشف CRIPT إلى مختبرات تشوك ريفر التابعة لشركة الطاقة الذرية الكندية المحدودة . ^{[ 87 ]}

يقوم جهاز الكشف CRIPT حاليًا بدراسة القيود المفروضة على وقت الكشف لتطبيقات أمن الحدود، والقيود المفروضة على دقة صورة التصوير المقطعي للميون، والتحقق من مخزون النفايات النووية، ومراقبة الطقس الفضائي من خلال الكشف عن الميون.