Figur 1. En 3D-bild av ett kolprov, erhållen med forskarens nya metod och utan att skada provet. Kredit:Osaka University
Genom att kombinera teknologier som ursprungligen utformades för partikelacceleratorer med hög energi och astronomiobservationer, kan forskare nu för första gången analysera den elementära sammansättningen av prover utan att skada dem, vilket kan vara användbart för forskare som arbetar inom andra områden som arkeologi, rapporterar en ny studie i vetenskapliga rapporter .
Myoner är en av de många elementarpartiklarna i universum, som för närvarande används som myonstrålar i högenergiacceleratorexperiment av fysiker. Men forskare inom andra områden har också varit intresserade av myoner på grund av dess potential att analysera den elementära sammansättningen av värdefulla prover, som det inre av meteoriter.
Röntgenfluorescensspektroskopi används ofta inom områden inklusive arkeologi och planetvetenskap, men de kan bara analysera grundämnesuppbyggnaden av prover nära ytan, och den kan inte exakt kvantifiera lätta element som kol.
Muoner har en fördel jämfört med nuvarande metoder. När en negativ myon fångas upp av ett bestrålat material skapas en muonatom. De muoniska röntgenstrålarna som sänds ut från de nya muoniska atomerna har hög energi och kan detekteras med hög känslighet utan att absorberas av själva provet.
Genom att justera energin hos myoner som accelereras av högenergiacceleratorer har forskare kunnat analysera prover på en 1-dimensionell nivå.
Vilket team av forskare, lett av Osaka University Radioisotope Research Center, projektforskaren I-Huan Chiu och docent Kazuhiko Ninomiya, Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe Project Assistant Professor Shin'ichiro Takeda, och högenergiacceleratorforskningsorganisationens professor Yasuhiro Miyake har gjort har varit att kombinera detta med en kadmiumtellurid dubbelsidig remsdetektor (CdTe-DSD), som ursprungligen designades för 2-dimensionell bildanalys för hårda röntgen- och γ-strålningsmätningar i rymden, för att utveckla en metod som gör det möjligt för användaren att skapa en 3-dimensionell bild av den elementära sammansättningen av ett prov.
Figur 2. Avbildningsexperimentet som sattes upp involverar fyra polypropenkulor som bestrålas med en negativ myonstråle. De resulterande myonröntgenstrålarna skulle analyseras av CdTe-DSD-sensorn genom pinhole-kollimatorn för att skapa en 2D-bild. Kredit:Osaka University
Figur 3. Energispektra för provet och aluminiumstativet, med användning av en kadmiumtellurid dubbelsidig remsdetektor och muonröntgen. Kredit:Osaka University
För att testa sin icke-förstörande 3D-elementanalys baserad på muonisk röntgen och en CdTe-DSD, satte forskarna upp sitt experiment vid D2-myonstrållinjen för Muon Science Establishment (MUSE) i J-PARC, en högintensiv protonaccelerator anläggning norr om Tokyo.
Uppställningen innebar att man förberedde två små och två större sfäriska plastkulor, som roterades med en stegstorlek på 22,5 grader varje gång under myonbestrålning. En hel rotation skapade totalt 16 bilder inspelade av CdTe-DSD, och en algoritm som vanligtvis används inom medicin som används för att rekonstruera en 3D-bild av provet.
Figur 4. Projektionsbilder av proverna tagna av CdTe dubbelsidiga remsdetektorn vid olika rotationsvinklar, tillsammans med den faktiska placeringen av proverna. Kredit:Osaka University
Resultaten visade tydligt att det fanns två typer av bollar med olika storlekar och kunde detektera att insidan bestod av kol.
Forskarna säger att deras metod ger en viktig förbättring för för närvarande elementaranalys inom olika områden, och kan användas för elementär djupprofilering av arkeologiska prover.
Detaljer om denna studie publicerades i Scientific Reports den 29 mars. + Utforska vidare
