ЖЭТФ, 2022, том 161, вып. 4, стр. 590-595

МЮОННАЯ РАДИОГРАФИЯ КРУПНЫХ ПРИРОДНЫХ

И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ — НОВЫЙ ЭТАП

В МЕТОДИКЕ ЯДЕРНЫХ ФОТОЭМУЛЬСИЙ

А. Б. Александров^a, С. Г. Васина^a,b, В. И. Галкин^c, В. М. Грачев^d, А. С. Коновалов^e,

Н. С. Коновалова^a, П. С. Королев^f , А. А. Ларионов^f , А. К. Манагадзе^g ,

И. А. Мельниченко^h, Н. М. Окатьева^a, Н. Г. Полухина^a,d,h, Т. М. Роганова^g,

Ж. Т. Садыков^h, Н. И. Старков^a, Е. Н. Старкова^a, В. Э. Тюков^a,

М. М. Чернявский^a, В. И. Шевченко^d, Т. В. Щедринаa*

^a Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, 119991, Москва, Россия

^b Объединенный институт ядерных исследований

141980, Дубна, Московская обл., Россия

^c Московский государственный университет им. М. М. Ломоносова

119991, Москва, Россия

^d Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

115409, Москва, Россия

^e Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе

117997, Москва, Россия

^f Московская духовная академия Русской православной церкви

141300, Сергиев Посад, Московская обл., Россия

^g Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына

Московского университета им. М. М. Ломоносова

119991, Москва, Россия

^h Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

119049, Москва, Россия

Поступила в редакцию 3 декабря 2021 г.,

после переработки 13 декабря 2021 г.

Принята к публикации 13 декабря 2021 г.

Представлено новое исследование исторического объекта на территории Российской федерации, Свя-

то-Троицкого Данилова монастыря, проведенное методом мюонной радиографии. В основе метода лежит

регистрация изменений потоков мюонов космического происхождения при прохождении изучаемого объ-

екта. В качестве экспериментального оборудования использованы ядерные фотоэмульсии, обладающие

уникальным пространственным и угловым разрешением и имеющие широчайший диапазон применений

в экспериментальной ядерной физике. Эксперимент демонстрирует высокую эффективность метода при

поиске скрытых объектов, наличие которых на территории монастыря подтверждается полученными ре-

зультатами.

Статья для специального выпуска ЖЭТФ, посвященного 100-летию А. Е. Чудакова

DOI: 10.31857/S0044451022040137

1. ВВЕДЕНИЕ

EDN: DQUAEP

В экспериментальной ядерной физике и физи-

^* E-mail: tvshchedrina@gmail.com

ке элементарных частиц давно и успешно исполь-

590

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Мюонная радиография крупных природных и промышленных объектов. ..

зуются трековые детекторы различных типов, что

детекторов. Она состоит из кристаллов галогенида

связано с их уникальным пространственным разре-

серебра, равномерно распределенных в желатино-

шением, возможностью разделения треков частиц,

вой основе. Каждый кристалл действует как неза-

наглядностью и достоверностью регистрации про-

висимый детектор заряженных частиц, формируя в

странственной картины взаимодействий. В разви-

результате ионизации скрытое изображение, кото-

тии ядерной физики трековые детекторы сыграли

рое становится видимым под оптическим микроско-

выдающуюся роль, что подтверждается целой се-

пом после химического проявления [11]. Следы за-

рией Нобелевских премий (1903 — А. Беккерель,

ряженных частиц в ядерной фотоэмульсии выгля-

1927 — Ч. Вильсон, 1936 — В. Гесс, 1950 — С. В. Пау-

дят как цепочки проявленных зерен, причем гео-

элл, 1960 — Д. Глезер, 1968 — Л. Альварес, 1992 —

метрические параметры трека зависят от заряда и

Ж. Шарпак и т. д.)

скорости зарегистрированной частицы. В экспери-

ментах этот материал используется в виде эмульси-

Трековые детекторы, в силу простоты их конст-

онных пленок, где слои фотоэмульсии толщиной в

рукции, имеют очень широкий диапазон использо-

несколько десятков микрон наносятся с двух сторон

вания: они экспонируются на ускорителях [1, 2], в

на тонкую синтетическую основу.

стратосфере [3, 4], в условиях высокогорья [5] и в

подземных низкофоновых лабораториях [6]. Так, с

Ядерно-эмульсионные детекторы представляют

помощью трековых детекторов на основе ядерных

собой стопки двусторонних эмульсионных пленок,

фотоэмульсий в подземных лабораториях глубокого

площадь которых определяется требованиями экс-

размещения впервые наблюдались распад протона,

перимента. Единственным на данный момент про-

двойной бета-распад, потоки солнечных нейтрино.

изводителем ядерных фотоэмульсий в России яв-

Среди открытий в области физики космических лу-

ляется компания ОАО «Славич», где производятся

чей, сделанных с применением ядерных фотоэмуль-

эмульсионный гель и эмульсионные пленки, отвеча-

сий, необходимо отметить первые эксперименталь-

ющие мировым требованиям качества. На предпри-

ные подтверждения существования пиона, антипро-

ятии «Славич», в сотрудничестве с авторами ста-

тона и тяжелых мезонов, а также обнаружение в

тьи, разрабатываются новые типы фотоэмульсий с

составе космических лучей ядер тяжелее протона

самым широким диапазоном параметров.

[7, 8]. Одним из самых резонансных экспериментов

на основе ядерно-эмульсионных трековых детекто-

На начальном этапе развития ядерно-эмульсион-

ров стало обнаружение в 2016 г. ранее не извест-

ной методики определение ионизации, создаваемой

ной крупной камеры в теле пирамиды Хеопса [9].

заряженной частицей в фотоэмульсии, осуществ-

«Просвечивание» пирамиды осуществлялось мето-

лялось путем измерения плотности почернения сле-

дом мюонной радиографии с использованием реля-

да методом фотометрирования. Для этой цели бы-

тивистских мюонов космического происхождения.

ли созданы специальные приборы — фотометры

[12-15], позволявшие определять общее почернение

С помощью ядерных фотоэмульсий был обнару-

следа. По измеренному относительному почернению

жен эффект уменьшения ионизационных потерь

и длине следа определялись заряд и скорость час-

для узких электрон-позитронных пар (так назы-

тицы, а в совокупности с остаточным пробегом или

ваемый «эффект Чудакова»), который состоит в

многократным рассеянием — и ее масса [16].

том, что различные по знаку электромагнитные по-

ля близко идущих компонент электрон-позитронной

В настоящее время развитие технологий произ-

пары высокой энергии (выше нескольких сотен ги-

водства ядерных фотоэмульсий различной чувстви-

гаэлектронвольт) частично компенсируют друг дру-

тельности и прогресс автоматизированной сканиру-

га [10]. При таких энергиях угол разлета электрона

ющей техники на основе программируемых микро-

и позитрона мал настолько, что начало следов па-

скопов [17, 18] позволяют подойти к решению таких

ры в фотоэмульсии выглядит как трек одной час-

сложнейших экспериментальных задач, как прямая

тицы с пониженной ионизирующей способностью,

регистрация частиц темной материи [19].

т. е. ионизация, производимая совместно двумя ре-

лятивистскими заряженными частицами, оказыва-

Настоящая статья дает представление о совре-

ется меньше, чем минимальная ионизация, вызван-

менном уровне развития ядерно-эмульсионной ме-

ная одной из них.

тодики в России на примере одного из эксперимен-

Ядерная фотоэмульсия является одним из наи-

тов, осуществляемых авторами по методу мюонной

более востребованных в настоящее время трековых

радиографии.

591

А. Б. Александров, С. Г. Васина, В. И. Галкин и др.

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

пакеты, фиксируются в вертикальном положении с

помощью металлических конструкций, разработан-

ных в Национальном исследовательском техноло-

гическом университете «МИСиС» (рис. 1). Пред-

ставленный на рис. 1 детектор состоял из четырех

эмульсионных модулей размером 10 × 12.5 см², по

5 слоев в каждом, итого наполнение одного детек-

тора составило 20 эмульсионных слоев. Стопки сло-

ев ядерной фотоэмульсии регистрируют треки пада-

ющих атмосферных мюонов, позволяя сравнивать

между собой плотности потоков этих частиц, при-

ходящих с разных направлений, и определять их

угловые характеристики. Пространственное разре-

шение двусторонней фотоэмульсии при восстановле-

нии трека мюона составляет 2-3 мкм, угловое раз-

решение порядка 1 мср.

Рис. 1. Ядерно-эмульсионные детекторы, установленные в

В данной работе представлены последние резуль-

подвальном помещении одной из церквей Свято-Троицко-

таты зондирования некоторых областей подземного

го Данилова монастыря

пространства монастыря в окрестности церкви Всех

Святых (рис. 2а). На рис. 2б показана схема установ-

ки ядерно-эмульсионных детекторов D11, D12, D13

2. ЭКСПЕРИМЕНТ

и D18 в подвальном помещении церкви.

Высокая интенсивность у поверхности Земли по-

Детекторы направлены таким образом, чтобы

токов слабовзаимодействующих атмосферных мюо-

увидеть старый фундамент (D11, D12), если он был

нов с большой проникающей способностью дает воз-

и сохранился, и увидеть территорию между церк-

можность изучать крупные природные и промыш-

вями 1 и 3 (D13 и D18) — возможные захороне-

ленные объекты методом мюонной радиографии и

ния, остатки подземного перехода, использовавше-

получать 3D-изображения их внутренней структу-

гося ранее для отопления церкви Всех Святых.

ры, подобно рентгеновскому снимку [20]. Проходя

Как показали ранее проведенные тестовые экспе-

через области с разной плотностью вещества и испы-

рименты [24,25], для получения статистически обес-

тывая при этом разную степень поглощения, потоки

печенных угловых распределений в подобных усло-

заряженных мюонов несут информацию об особен-

виях наблюдений продолжительность экспозиции

ностях внутреннего строения объектов, сквозь ко-

детекторов должна составлять не менее двух ме-

торые они прошли. Аномалии угловых распределе-

сяцев. После завершения экспозиции детекторы де-

ний треков зарегистрированных частиц могут ука-

монтируются, ядерная фотоэмульсия подвергается

зывать на наличие в определенном направлении об-

процедуре проявки в химической лаборатории ОАО

ластей, отличающихся по плотности от основного

«Славич». Сканирование проявленных пленок, из-

вещества (пустот или инородных включений). Для

мерение параметров треков частиц и первичный

получения этой информации достаточно иметь де-

анализ данных осуществляются с помощью автома-

тектор, регистрирующий угловое распределение за-

тизированного микроскопа, входящего в состав мно-

ряженных частиц в широком диапазоне углов.

гофункционального комплекса по обработке данных

На протяжении нескольких лет авторы прово-

трековых детекторов ПАВИКОМ [26]. В дальней-

дят исследования методом мюонной радиографии

шем анализе используются измеренные угловые ха-

с использованием ядерно-эмульсионных детекторов,

рактеристики треков t_x и t_y, связанные с углами ϕ и

в том числе для изучения исторических памятни-

θ траекторий частиц относительно нормали к плос-

ков на территории России [21,22]. В настоящее вре-

кости детектора:

мя осуществляется эксперимент по поиску скры-

тых под землей помещений и фрагментов зданий

t_x =

= tg θ cos ϕ,

Свято-Троицкого Данилова монастыря в Переслав-

ле-Залесском Ярославской области [23].

Согласно методике эксперимента, слои ядерной

t_y =

= tg θ sin ϕ.

фотоэмульсии, упакованные в светонепроницаемые

592

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Мюонная радиография крупных природных и промышленных объектов. ..

Рис. 2. (В цвете онлайн) а) Храмовый комплекс монастыря (1 — церковь Похвалы Божией Матери, 2 — собор Троицы

Живоначальной с церковью преп. Даниила, 3 — церковь Всех Святых). б) Схема расположения детекторов D11, D12,

D13 и D18 в подвальном помещении церкви Всех Святых. Направления 1, 2 и 3 показывают направления обнаруженных

особенностей потоков мюонов, обсуждение которых приводится в статье

Рис. 3. (В цвете онлайн) Угловые распределения экспериментальных данных для детекторов D13 (а) и D18 (б) в здании 3.

Цветовая шкала на гистограмме обозначает число зарегистрированных мюонов в единице бина. По оси ординат ty > 0

соответствует направлению назад (верхняя полусфера), а ty < 0 — направлению вперед

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

же объекта в идентичных условиях, наличие струк-

турных особенностей в полученных данных обоих

Детекторы D13 и D18 были установлены после-

детекторов отражает реальные структуры изучае-

довательно друг за другом в подвальном помещении

мого объекта. Реконструкция данных для детекто-

здания церкви Всех Святых, но с одним и тем же

ров D13 и D18 в виде распределения числа мюонов

временем экспозиции около 2.5 мес. Оба детектора

в переменных t_x, t_y представлена на рис. 3.

располагались приблизительно в одном и том же ме-

сте, схема их расположения представлена схематич-

Основная часть широких пиков при t_x

= 0,

но на рис. 2б. Так как оба детектора использовались

t_y

= ±0.5 соответствует естественному распреде-

для экспериментального исследования одного и того

лению потоков мюонов в данных диапазонах углов

593

А. Б. Александров, С. Г. Васина, В. И. Галкин и др.

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

(θ < 45^◦). Однако на этом фоне присутствуют до-

полнительные локальные максимумы (их положе-

ния обозначены цифрами 1, 2, 3 на рис. 3):

1) неоднородность по направлению «назад» при

t_y = 0.45, t_x = -0.1;

2) неоднородность по направлению «вперед» при

t_y = -0.5, t_x = 0.18;

3) широкая неоднородность по направлению

«вперед» при t_y = -0.5, t_x от -0.2 до 0.1.

Наличие перечисленных максимумов указывает

на то, что в этих направлениях присутствуют обла-

сти с меньшей поглощающей способностью. С уче-

том того, что значения переменной t_y = ±0.5 соот-

ветствуют углу к горизонту порядка 20-25^◦, эти осо-

бенности находятся на расстоянии не более 7-8 м по

горизонтали от положения детектора.

Рис. 4. Карта местности, сделанная при помощи снимка

Обсудим каждую из обнаруженных особенностей

GooglePro. Круг обозначает радиус видимости детектора,

по отдельности.

цифрами 1, 2, 3 обозначены направления обнаруженных

Максимуму под номером 1 по направлению «на-

структурных особенностей в экспериментальном угловом

зад» может соответствовать объект небольшого раз-

распределении мюонов

мера — полость или область с плотностью, меньшей

чем плотность основного материала (грунт, стены и

т. п.).

ния крупномасштабных геологических и промыш-

Максимум под номером 2 по направлению «впе-

ленных объектов. Эмульсионные детекторы облада-

ред» с большой долей вероятности соответствует

ют рядом неоспоримых преимуществ, к которым от-

дверному проему, ведущему в келью между подва-

носятся высокое пространственное (менее 1 мкм) и

лом и первым этажом.

угловое (около 1 мср) разрешение, большая инфор-

Области вблизи t_x = 0 соответствуют естествен-

мационная емкость, небольшие размеры (1 м² и ме-

ному максимуму потока мюонов при фиксирован-

нее), удобство транспортировки и простота эксплу-

ном t_y и в первом приближении должны быть оди-

атации в сложных условиях.

наковы в направлении вперед и назад. Однако в

Уникальность метода мюонной радиографии на

направлении вперед при t_y = -0.5 видна широкая

основе использования эмульсионных трековых де-

неоднородность, обозначенная номером 3, намного

текторов состоит в том, что он позволяет осуществ-

превышающая естественный фон. Ее большой угло-

лять диагностику самых разнообразных природных

вой размер может отражать большие линейные раз-

и промышленных объектов с использованием эконо-

меры, величина которых зависит от расстояния до

мичных и компактных детекторов достаточно прос-

детектора и может быть оценена по сектору a-б на

той конструкции, что выгодно отличает его от бо-

рис. 2б.

лее затратных альтернативных методов. Возросший

С учетом угла к горизонту 20-25^◦ радиус види-

интерес к методу мюонной радиографии определен

мости детектора составляет 6-8 м. Для удобства вос-

стремительным развитием прецизионной сканирую-

приятия на рис. 4 представлено изображение кар-

щей техники, позволяющей обрабатывать большие

ты местности и приведены направления структур-

площади релятивистской эмульсии в сравнительно

ных особенностей 1, 2, 3 и область видимости в виде

короткие сроки.

круга при глубине подвала 3 м относительно уровня

Представленные в статье авторские методичес-

земли.

кие подходы и прототипы технических решений по

реализации метода мюонной радиографии с исполь-

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

зованием эмульсионных трековых детекторов в при-

Таким образом, как показывают проведенные

ложении к исследованию состояния объекта куль-

в Свято-Троицком Даниловом монастыре экспе-

турного наследия ЮНЕСКО, проведенный анализ

рименты, метод мюонной радиографии на основе

результатов экспериментальных исследований име-

эмульсионных трековых детекторов является пер-

ют огромное значение с точки зрения дальнейших

спективным альтернативным методом зондирова-

перспектив внедрения метода в России.

594

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Мюонная радиография крупных природных и промышленных объектов. ..

ЛИТЕРАТУРА

13.

K. Kristiansson, Phil. Mag. 44, 268 (1953).

T. Nakamura, A. Ariga, T. Ban et al., Nucl. Instrum.

14.

S. Friesen and L. Stigmark, Ark. Fysik 8, 121 (1954).

Meth. Phys. Res. A 556, 80 (2006).

15.

S. Friesen, Ark. Fysik 8, 305 (1953).

C. Ahdida, R. Albanese, A. Alexandrov et al., JINST

14, P03025 (2019).

16.

Б. А. Войковский, А. И. Галактионов, М. И. Тре-

тьякова и др., ПТЭ № 6, 38 (1957).

Н. А. Добротин, К. А. Котельников, А. В. Апа-

насенко и др., Изв. АН СССР, сер. физ. 53, 250

17.

A. Alexandrov, A. Buonaura, L. Consiglio et al.,

(1989).

JINST 11, P06002 (2016).

Г. Т. Зацепин, С. И. Никольский, И. В. Ракобольс-

18.

A. Alexandrov, G. De Lellis, and V. Tioukov, Sci.

кая и др., Изв. АН СССР, сер. физ. 61, 1186 (1997).

Rep. 9, (2019).

V. Tioukov, A. Alexandrov, C. Bozza et al., Sci. Rep.

19.

N. Agafonova, A. Aleksandrov, A. Anokhina et al.,

9, 6695 (2019).

Eur. Phys. J. C 78, 578 (2018).

N. Agafonova, A. Aleksandrov, A. Anokhina et al.,

J. Phys. Conf. Ser. 869, 012048 (2017).

20.

А. Б. Александров, М. С. Владимиров, В. И. Гал-

кин и др., УФН 187, 1375 (2017).

С. Пауэлл, П. Фаулер, Д. Перкинс, Исследование

элементарных частиц фотографическим мето-

21.

S. A. Baklagin, V. M. Grachev, N. S. Konovalova et

дом, Изд-во иностр. лит., Москва (1962).

al., IJIRSET 5, 0507027 (2016).

Д. Перкинс, Введение в физику высоких энергий,

22.

A. Abiev, A. Bagulya, M. Chernyavsky et al., Appl.

Мир, Москва (1975), сс. 85-88.

Sci. 9, 2040 (2019).

K. Morishima, M. Kuno, A. Nishio et al., Nature 552,

23.

А. Б. Александров, С. Г. Васина, В. И. Галкин и

386 (2017).

др., ЯФ 84, 496 (2021).

10.

А. Е. Чудаков, Изв. АН СССР, сер. физ. 19, 651

24.

А. Б. Александров, А. В. Багуля, М. С. Владими-

(1955).

ров и др., Письма в ЭЧАЯ 12, 1100 (2015).

11.

A. Ariga, T. Ariga, G. De Lellis et al., in Particle Phy-

25.

A. B. Aleksandrov, A. V. Bagulya, M. M. Chernyav-

sics Reference Library, Vol. 2: Detectors for Particles

and Radiations, Springer (2020), pp. 383-438.

sky et al., AIP Conf. Proc. 1702, 110002 (2015).

12.

S. Friesen and K. Kristiansson, Nature 16,

686

26.

A. Alexandrov, N. Konovalova, N. Okateva et al.,

(1950).

Measurement 187, 110244 (2022).

595