ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2021, том 84, № 6, с. 496-501

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ СКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ СВЯТО-ТРОИЦКОГО

ДАНИЛОВА МОНАСТЫРЯ МЕТОДОМ МЮОННОЙ РАДИОГРАФИИ

А. С. Коновалов³⁾, Н. С. Коновалова¹⁾, П. С. Королев⁴⁾, А. А. Ларионов⁴⁾,

И. А. Мельниченко⁵⁾, А. К. Манагадзе⁶⁾, Н. М. Окатьева¹⁾, Н. Г. Полухина¹⁾,

Т. М. Роганова⁶⁾, Ж. Т. Садыков⁵⁾, Н. И. Старков¹⁾, Е. Н. Старкова¹⁾,

В. Э. Тюков¹⁾, М. М. Чернявский¹⁾, В. И. Шевченко⁷⁾, Т. В. Щедрина^1)*

Поступила в редакцию 24.06.2021 г.; после доработки 24.06.2021 г.; принята к публикации 24.06.2021 г.

Представлены результаты эксперимента по исследованию археологических объектов на территории

Свято-Троицкого Данилова монастыря города Переславль-Залесский, Ярославская область, прове-

денного методом мюонной радиографии. В статье дано описание эксперимента, представлены первые

результаты анализа данных, демонстрирующие чувствительность выбранной методики к поставленной

задаче.

DOI: 10.31857/S0044002721060027

1. ВВЕДЕНИЕ

способность атмосферных мюонов, проникающих

на глубины до нескольких километров водного

Метод мюонографии — инновационный метод

эквивалента. Поток проникающих мюонов на

получения информации о структуре массивных

уровне моря составляет 10⁴/м² в минуту. Срав-

природных и промышленных объектов, который

нивая поглощение потока частиц различными

может применяться в самых различных областях:

частями исследуемого объекта, можно получить

геологоразведка, мониторинг состояния ядерных

информацию о структуре данного объекта. В

реакторов, неразрушающий контроль крупных

настоящее время эксперименты, проводимые ме-

промышленных объектов, альтернативный геофи-

тодом мюонной радиографии, успешно осуществ-

зическим методам способ анализа сейсмических

ляются в ряде научных центров России, Италии,

процессов. Mюонная радиография использует ту

Швейцарии, Японии и других стран благодаря

же концепцию, что и медицинская радиография

развитию методов автоматизированной системы

(рентген): поглощение пучка (мюоны вместо рент-

обработки [1-5].

геновских лучей) при прохождении через вещество

(порода или строительные материалы вместо

человеческой плоти) и чувствительное устройство

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

(детектор). Преимуществами метода являются

Представленная работа входит в ряд совмест-

его неинвазивность, использование природного

ных исследований нескольких российских институ-

источника излучения и высокая проникающая

тов при финансовой поддержке НИТУ “МИСиС”

по изучению археологических объектов на тер-

¹⁾Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва,

ритории Свято-Троицкого Данилова монастыря

Россия.

города Переславль-Залесский, известного свои-

²⁾Московский государственный университет имени М.В.

Ломоносова, физический факультет, Москва, Россия.

ми памятниками древнерусской архитектуры XII-

³⁾Российский государственный геологоразведочный уни-

XVII вв. Особое место среди них занимает Свято-

верситет им. Орджоникидзе, Москва, Россия.

Троицкий Данилов монастырь — один из древ-

⁴⁾Московская духовная академия, Сергиев Посад, Россия.

нейших в городе, основанный в 1508 г. Здание

⁵⁾Национальный исследовательский технологический уни-

храма неоднократно ремонтировалось, достраива-

верситет “МИСиС”, Москва, Россия.

лось и перестраивалось, многие документы, в том

⁶⁾Научно-исследовательский институт ядерной физики

числе технические планы помещений безвозвратно

имени Д.В. Скобельцына Московского государственного

утеряны. Одной из поставленных задач научной

университета имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия.

группы было исследование на предмет наличия

⁷⁾Национальный исследовательский центр “Курчатовский

институт”, Москва, Россия.

неизвестных подвальных помещений и фундамен-

^*E-mail: tvshchedrina@gmail.com

та здания церкви Похвалы Божьей Матери. Так

496

ИССЛЕДОВАНИЕ СКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

497

330

270

250

Металлическая рама

Вакуумная упаковка пакета

с фотоэмульсей внутри

Отступ 1 см с каждой стороны

Рис. 1. Принципиальная схема конструкции детектора с фотоэмульсионными слоями, указанные на схеме размеры

конструкции представлены в миллиметрах.

как Данилов монастырь является действующим, а

в подвальных помещениях здания церкви Похвалы

его храмы охраняемыми памятниками архитекту-

Божьей Матери с тем, чтобы “увидеть” с их помо-

ры, при планировании и проведении эксперимента

щью максимальную площадь строений подвальных

данный критерий явился доминирующим в поль-

помещений в интересующей области исследования.

зу использования детекторов на основе фотогра-

В эксперименте были использованы фотоэмульсии

фической фотоэмульсии. К основным преимуще-

российского производства ООО “АВК Славич”.

ствам трековых детекторов с использованием фо-

Детекторы, подготовленные для испытаний, пред-

тоэмульсии, помимо компактных размеров и про-

ставляли собой плотно упакованные стопки из 5-

стоты конструкции, относятся высокое простран-

6 двусторонних эмульсионных пластин размером

ственное (<1 мкм) и угловое (∼1 мср) разрешение,

20 × 25 см², закрепленные в неподвижном поло-

большая информационная емкость, простота экс-

жении с помощью металлической рамки детекто-

плуатации (независимость от источников энерго-

ра. Фото детектора на месте экспозиции в одном

снабжения и отсутствие необходимости электрон-

из подвальных помещений приведено на рис. 2.

ной считывающей системы в процессе экспозиции),

Таким образом, площадь эмульсионных пластин,

более того, исследование объекта с целью опре-

входящих в каждый детектор, составила поряд-

деления его внутренней структуры происходит без

ка 0.3 м². Различное время экспозиции детекто-

разрушения исследуемого объекта, дополнитель-

ров — от двух до четырех месяцев — было вы-

ных раскопок и т.п., что выгодно отличает данную

брано с целью оценки загруженности детекторов

методику от более затратных альтернативных ме-

и определения оптимального времени экспозиции,

тодов.

достаточного для получения статистически обес-

печенных результатов. Анализ экспериментальных

3. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ

данных показал, что оптимальной является трех-

ЭКСПЕРИМЕНТА, ПЕРВЫЕ

месячная экспозиция в условиях данного экспе-

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

римента. После экспозиции эмульсионные слои

Принципиальная схема эмульсионного детекто-

были проявлены ООО “АВК Славич” и пере-

ра, используемая в данном эксперименте, показана

даны в Физический институт им. П.Н. Лебедева

на рис. 1. Детекторы для данной экспозиции имели

Российской академии наук для сканирования на

площадь 28 × 33 см². В конструкции детектора

Полностью АВтоматизированном Измерительном

были предусмотрены ножки, которые позволяли

КОМплексе (ПАВИКОМ-3), позволяющем ска-

выравнивать по уровню с точностью 0.5 мм/м.

нировать фотоэмульсионные пленки со скоростью

Таким образом, были установлены 10 детекторов

до 190 см²/ч в диапазоне углов до 75◦ [6-8].

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№6

2021

498

АЛЕКСАНДРОВ и др.

Рис. 2. Фото двух детекторов в одном из подвальных помещений здания церкви Похвалы Божьей Матери.

Θ, град

100

150

200

250

300

350

100

150

Φ, град

Рис. 3. а — Результаты измерений для детектора 6, представленные в виде линий уровня. Слева (от 0^◦ до 180^◦)

направление назад, справа (от 180^◦ до 360^◦) направление вперед; б — увеличенная часть распределения в диапазоне

углов Θ = 10^◦ -25^◦ и Φ = 50^◦ -150^◦ . Цифрами 1-4 обозначены направления, в которых поглощение мюонов меньше.

Эти направления соответствуют проходам и проемам в подвальном помещении, отмеченным идентичным образом на

схеме БТИ (см. рис. 4).

Эмульсионная пластина состоит из двух чувстви-

детектора, так называемых вольюмтреков (VT),

тельных эмульсионных слоев, толщиной 50 мкм

выполняется в режиме offline на UNIX сервере при

каждый, политых на пластиковую основу, толщи-

помощи пакета FEDRA [9]. Этот пакет написан в

ной 175 мкм. В процессе сканирования в режи-

виде набора библиотек для пакета ROOT и позво-

ме реального времени производится реконструк-

ляет производить весь дальнейший цикл обработки

ция так называемых микротреков (МТ) — треков,

и анализа: реконструировать базовые треки, вза-

проходящих через каждый чувствительный слой

имное расположение эмульсионных пластин в про-

странстве и треки во всем объеме отсканированных

эмульсионной пластины. Дальнейший цикл проце-

дуры реконструкции треков, проходящих через всю

данных. Пример такой реконструкции для одного

стопку эмульсионных пластин, входящих в состав

из детекторов представлен на рис. 3. Эксперимен-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№6

2021

ИССЛЕДОВАНИЕ СКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

499

Детектор 6

Рис. 4. Соответствие оконных и дверных проемов особенностям в распределениях для детектора 6. Положение

детектора 6 в подвальном помещении схематически представлено в виде заштрихованного прямоугольника. Теневым

конусом обозначена область видимости детектора по направлению “назад”. Штриховые линии — направления потоков

мюонов, соответствующие максимумам, обозначенным на рис. 2 цифрами 1-4: 1 — переход из маленького подвального

помещения в большое, 2 — центральный вход в подвальные помещения здания церкви Похвалы Божьей Матери, 3 —

переход между маленькими подвальными помещениями, 4 — окно в маленьком подвальном помещении.

тальные результаты представляют собой двумер-

< Φ < 180^◦ соответствует заднему сектору обзора

ное угловое распределение по азимутальному углу

детектора, а 180^◦ < Φ < 360^◦ переднему сектору

Φ и зенитному углу Θ в виде линий уровня. На

соответственно. На распределении в диапазоне уг-

рис. 3a приведено распределение потоков мюонов

лов 0^◦ < Φ < 180^◦ можно увидеть несколько вы-

в зоне видимости детектора, диапазон углов 0^◦ <

ступов, которые отмечены цифрами 1, 2, 3 и 4 на

увеличенном графике рис. 3б. При сравнении этих

выступов из экспериментально полученных ре-

зультатов и расположения проемов окон и двери на

плане БТИ подвального помещения каждый из них

находит соответствие с определенным проемом,

см. рис. 4. Данные экспериментальные результаты

наглядно демонстрируют чувствительность метода

мюонной радиографии и предложенной конструк-

ции детекторов к плотным объектам и пустотам

размерами от 0.5 м до нескольких десятков и даже

сотен метров (при соответственной площади детек-

тора и времени экспозиции).

На рис. 5, показывающем схему по данным БТИ

первого этажа церкви, условно показано положе-

ние детекторов 4 и 5, которые были установле-

ны этажом ниже, в подвале. Звездочкой отмече-

но положение обнаруженной этими детекторами

вертикальной полости в стене первого этажа, см.

графики рис. 6.

В настоящее время продолжается физический

Схема БТИ 1го этажа здания

анализ экспериментальных результатов, получен-

ных с других детекторов данной экспозиции. По-

Рис. 5. Схема БТИ первого этажа церкви Похвалы

лучены целеуказания в виде направления на неиз-

Божьей Матери.

вестную до настоящего момента полость в иссле-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№6

2021

500

АЛЕКСАНДРОВ и др.

Θ = 40°-45°

Φ = 250°-350°

100

150

200

250

300

100

150

200

250

300

350

Азимутальный угол

Детектор 4

Детектор 5

Рис. 6. Распределения потоков мюонов по данным детекторов 4 и 5 — линии уровня равной интенсивности в элементе

телесного угла. Пунктиром отмечена область обнаруженной вертикальной полости в стене первого этажа церкви

Похвалы Божьей Матери.

дуемой области здания церкви Похвалы Божьей

Н. С. Коновалова, А. А. Маловичко, А. К. Манагад-

Матери, для уточнения геометрических размеров

зе, Н. М. Окатьева, Н. Г. Полухина, Т. М. Роганова,

которой предстоит дополнительная экспозиция де-

Н. И. Старков, В. Э. Тюков, М. М. Чернявский,

текторов в выбранном направлении неизвестного

Т. В. Щедрина, УФН 187, 1375 (2017) [Phys. Usp.

помещения. Для наглядности полученных резуль-

60, 1277 (2017)].

татов была создана 3D-модель помещения по пла-

https://doi.org/10.3367/UFNe.2017.07.038188

нам БТИ и LIDARной съемки, идет финальный

L. G. Dedenko, A. K. Managadze, T. M. Roganova,

анализ данных и имплементация полученных экс-

A. V. Bagulya, M. S. Vladimirov, S. G. Zemskova,

периментальных результатов в 3D-модель поме-

N. S. Konovalova, N. G. Polukhina, N. I. Starkov,

щения.

M. M. Chernyavskiy, and V. M. Grachev, Bull. Lebedev

Phys. Institute 41, 235 (2014).

https://doi.org/10.3103/S1068335614080065

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

A. Ariga, T. Ariga, A. Eriditato, S. K ¨aser, A. Lech-

Приведено описание эксперимента по иссле-

mann, D. Mair, R. Nishiyama, C. Pistillo, P. Scampoli,

дованию территории Свято-Троицкого Данилова

F. Schlunegger, and M. Vladymyrov, Instruments 2(2),

монастыря в Переславле-Залесском с целью поис-

7 (2018).

ка скрытых под землей фрагментов древних стро-

https://doi.org/10.3390/instruments2020007

ений методом мюонной радиографии, позволяю-

V. Tioukov, G. De Lellis, P. Strolin, L. Consiglio,

щим осуществлять исследования без нарушения

A. Sheshukov, M. Orazi, R. Peluso, C. Bozza,

структуры исторического объекта. Описаны осно-

C. De Sio, S. M. Stellacci, C. Sirignano,

вы метода, подробности проведения эксперимен-

N. D’Ambrosio, S. Miyamoto, R. Nishiyama, and

та, используемая аппаратура и алгоритм обработ-

H. K. M. Tanaka, Ann. Geophys. 60, S0111 (2017).

ки экспериментальных результатов. Представлены

https://doi.org/10.4401/ag-7386

результаты первых обработанных детекторов. По-

H. Fujii, K. Hara, S. Hashimoto, K. Hayashi, F. Ito,

лученные экспериментальные данные наглядно де-

H. Kakuno, H. Kodama, K. Nagamine, K. Sato,

монстрируют высокую разрешающую способность

K. Satoh, S.-H. Kim, A. Suzuki, T. Sumiyoshi,

эмульсионных детекторов по отношению к иссле-

K. Takahashi, Yu Takahashi, F. Takasaki, et al., PTEP

дуемому объекту. В подвальных помещениях зда-

2019, 053C01 (2019).

ния церкви Похвалы Божией Матери обнаружены

https://doi.org/10.1093/ptep/ptz040

пустоты, отсутствующие на плане БТИ.

A. Alexandrov, A. Buonaura, L. Consiglio,

N. D’Ambrosio, G. De Lellis, A. Di Crescenzo,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

G. Galati, A. Lauria, M. C. Montesi, V. Tioukov, and

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

M. Vladymyrov, JINST 11, P06002 (2016).

кин, Л. А. Гончарова, В. М. Грачёв, С. Г. Васина,

https://doi.org/10.1088/1748-0221/11/06/P06002

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№6

2021

ИССЛЕДОВАНИЕ СКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

501

7. A. Alexandrov, A. Buonaura, L. Consiglio,

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

N. D’Ambrosio, G. De Lellis, A. Di Crescenzo,

9, 2870 (2019).

G. Galati, V. Gentile, A. Lauria, M. C. Montesi,

V. Tioukov, M. Vladymyrov, and E. Voevodina, Sci.

9. V. Tioukov, I. Kreslo, Y. Petukhov, and G. Sirri, Nucl.

Rep. 7, 7310 (2017).

Instrum. Methods A 559, 103 (2006).

SEARCH FOR THE HIDDEN ROOMS OF THE HOLY TRINITY

DANILOV MONASTERY BY THE MUON RADIOGRAPHY METHOD

A. B. Alexandrov¹⁾, M. M. Chernyavsky¹⁾, V. I. Galkin²⁾, L. A. Goncharova¹⁾,

A. S. Konovalov³⁾, N. S. Konovalova¹⁾, P. S. Korolev⁴⁾, A. A. Larionov⁴⁾, A. K. Managadze⁶⁾,

I. A. Melnichenko⁵⁾, N. M. Okateva¹⁾, N. G. Polukhina¹⁾, T. M. Roganova⁶⁾, Zh. T. Sadykov⁵⁾,

T. V. Shchedrina¹⁾, V. I. Shevchenko⁷⁾, N. I. Starkov¹⁾, E. N. Starkova¹⁾,

V. E. Tioukov¹⁾, S. G. Vasina¹⁾

¹⁾Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

²⁾Faculty of Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Russia

³⁾Sergo Ordzhonikidze Russian State University for Geological Prospecting, Moscow, Russia

⁴⁾ Moscow Theological Academy, Moscow region, Sergiev Posad, Russia

⁵⁾ National University of Science and Technology “MISiS”, Moscow, Russia

⁶⁾Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University, Russia

⁷⁾ National Research Center “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia

The results of an experiment on the study of archaeological objects on the territory of the Holy Trinity

Danilov Monastery in the city of Pereslavl-Zalessky, Yaroslavl Region, carried out by the method of muon

radiography, are presented. The article describes the experiment and presents the first results of data

analysis, demonstrating the sensitivity of the chosen technique to the task at hand.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№6

2021