Forskere bruger muoniske røntgenstråler til at finde grundstofsammensætning af prøver uden at beskadige dem

Ved at kombinere teknologier, der oprindeligt er designet til højenergi-partikelacceleratorer og astronomiobservationer, kan forskere nu for første gang analysere prøvernes grundstofsammensætning uden at beskadige dem, hvilket kan være nyttigt for forskere, der arbejder inden for andre områder såsom arkæologi, rapporterer en ny undersøgelse i Videnskabelige rapporter .

Muoner er en af ​​de mange elementarpartikler i universet, som i øjeblikket bruges som myonstråler i højenergiacceleratoreksperimenter af fysikere. Men forskere inden for andre områder har også været interesseret i myoner på grund af dets potentiale til at analysere den elementære sammensætning af dyrebare prøver, såsom det indre af meteoritter.

Røntgenfluorescensspektroskopi er meget udbredt inden for områder, herunder arkæologi og planetarisk videnskab, men de kan kun analysere grundstofsammensætningen af ​​prøver nær overfladen, og den kan ikke nøjagtigt kvantificere lette elementer såsom kulstof.

Muoner har en fordel i forhold til nuværende metoder. Når en negativ myon fanges af et bestrålet materiale, dannes et muonatom. De muoniske røntgenstråler, der udsendes fra de nye muoniske atomer, har høj energi og kan detekteres med høj følsomhed uden at blive absorberet af selve prøven.

Ved at justere energien af ​​myoner, der accelereres af højenergiacceleratorer, har forskere været i stand til at analysere prøver på et 1-dimensionelt niveau.

Sikke et team af forskere, ledet af Osaka University Radioisotope Research Center, projektforsker I-Huan Chiu og lektor Kazuhiko Ninomiya, Kavli Institut for Universets Fysik og Matematik Projektassistent Shin'ichiro Takeda og professor i højenergiacceleratorforskningsorganisationen Yasuhiro Miyake har gjort, har været at kombinere dette med en cadmium tellurid dobbeltsidet strimmeldetektor (CdTe-DSD), som oprindeligt blev designet til 2-dimensionel billedanalyse til hårde røntgen- og γ-strålemålinger i rummet, for at udvikle en metode, som giver brugeren mulighed for at skabe et 3-dimensionelt billede af den elementære sammensætning af en prøve.

For at teste deres ikke-destruktive 3D-elementanalyse baseret på muonisk røntgen og en CdTe-DSD opsatte forskerne deres eksperiment ved D2 muon-strålelinien fra Muon Science Establishment (MUSE) i J-PARC, en højintensitetsprotonaccelerator anlæg nord for Tokyo.

Opsætningen involverede forberedelse af to små og to større sfæriske plastikkugler, som blev roteret med en trinstørrelse på 22,5 grader hver gang under muonbestråling. En fuld rotation skabte i alt 16 billeder optaget af CdTe-DSD, og ​​en algoritme, der normalt bruges i medicin, der bruges til at rekonstruere et 3D-billede af prøven.

Resultaterne viste tydeligt, at der var to slags bolde med forskellige størrelser og var i stand til at detektere, at interiøret bestod af kulstof.

Forskerne siger, at deres metode giver en vigtig forbedring for aktuelt elementær analyse på forskellige områder og kan bruges til elementær dybdeprofilering af arkæologiske prøver.

Detaljer om denne undersøgelse blev offentliggjort i Scientific Reports den 29. marts. + Udforsk yderligere

Myonstråleanalyse af organisk stof i prøver fra rummet