Müontomográfia

A müontomográfia alkalmazása a barlangkutatásban kifejezetten úttörő jellegű, ezért részletesebben ismertetem a módszer elméleti hátterét. Az összefoglaló első része szerzőtársaimmal írt, a Fizikai Szemle c. folyóiratban megjelent cikkünkön alapul [1].

A kozmikus sugárzás

A Földünket folyamatosan bombázó nagyenergiás kozmikus részecskéket több mint egy évszázada vizsgáljuk, így az ionizáló sugárzás mibenlétéről a kísérleti megfigyelések alapján egyre pontosabb képet kaptunk. Kísérletek segítségével bebizonyították, hogy a világűrben terjedő kozmikus sugárzásban az elektromágneses sugárzás mellett több komponens is jelen van, melyek elsősorban protonokból (89%), további stabil atommagokból (10%) és elektronokból (1%) állnak. E nagyenergiás primer részecskék a közel 20 km-es magasságban, a ritka felsőlégkör O és N atommagjaival ütközve másodlagos részecskezáporokat keltenek. A részecskezáporok az erős kölcsönhatás törvényei szerint fejlődnek, elsősorban pionokat tartalmaznak (?°, ?±) melyekből -bomlással müonok (µ±) keletkeznek. A müonok 2,2s alatt bomlanak el elektronra és neutrínókra, és mivel közel fénysebességgel haladnak, ennyi idő alatt alig néhány száz métert tehetnének meg. Azonban számukra, mivel gyorsak, lassabban telik az idő – ez a relativisztikus idődilatáció jelensége – ami miatt eljutnak Földünk felszínére, ill. kellő energia esetén akár a földkéregbe is.

A napszél a kozmikus részecskék egyik forrása, azonban kozmikus müonok keltéséhez túlzottan alacsony energiájú. A felszínt elérő müonok forrása a Galaxison belüli és kívüli speciális csillagászati objektumok, ,,kozmikus részecskegyorsítók”, például gyorsan forgó, nagy mágneses térrel rendelkező csillagmaradványok. A primer részecskék megjelenési valószínűsége jó közelítéssel az energia harmadik hatványával fordítottan arányos, de nagy ritkán akár a 1020 eV-ot is elérheti (évente néhány száz négyzetkilométerenként egy) ami megfelel egy jól megütött teniszlabda energiájának.  A sugárzásból felszínre jutó müonok intenzitása jelentős, tenyerünkön másodpercenként körülbelül egy halad át, átlagos energiájuk néhány GeV (109 eV), egy átlagos radioaktív bomlás energiájának ezerszerese.

A mért részecskehozam, tekintve, hogy forrása nem a Nap, időben nagyjából állandó, pontos mérésekkel azonban a naptevékenység és napszak változás (a Föld mágneses terének módosulása miatt), valamint az évszakok váltakozása (légkör állapota) is kimutatható benne.

A földfelszínen állva rajtunk is folyamatosan áthaladnak müonok, másodpercenként mintegy 5-10 részecske (részei tehát a természetes radioaktív háttérsugárzásnak). Ez a sugárzás veszélytelen, azonban vizsgálatuk részecskefizikai szempontból izgalmas és aktív kutatási terület, sőt alkalmazott kutatásokra is lehetőséget ad.

Kozmikus sugárzás alkalmazott kutatásokban

A kozmikus sugárzás tulajdonságainak beható vizsgálatából származó eredmények már a múlt század közepén lehetőséget teremtett olyan alkalmazott kutatási projektek elindítására, melyek a kozmikus részecskezáporok tulajdonságain alapulnak. Az első felhasználás E.P. George nevéhez fűződik, aki az Ausztrál hegyekben próbálta meghatározni a hórétegek vastagságát a kozmikus müonok hozamának változásait vizsgálva. Ezt követte a – későbbi Nobel díjas – L.W. Alwarez által vezetett régészeti kutatás, amely a Kefren piramis belsejének feltérképezésére irányult. Alwarez és munkatársai 1966-ban egy mintegy 1,8 m2-es detektort helyeztek el a korábban a piramis alá fúrt, mesterséges Belzoni-kamrába. A több rétegben elhelyezett szikrakamrákból álló müon-teleszkóppal, egy évnyi adatgyűjtés után megállapították, hogy az ismert kamrákon kívül nincsenek 1m-nél nagyobb átmérőjű rejtett üregek a piramis belsejében. Munkájuk megkímélte az egyiptomi régészeket, hogy feleslegesen megbontsák a piramis szerkezetét, hagyományos módon keresve a rejtett kincseskamrákat.

Az elmúlt évtizedekben az Alwarez által javasolt eljáráshoz hasonlatos módszert többféle kutatásban is alkalmazták, elsősorban olyan extrém helyeken, ahol a mechanikai fúrás nem megoldható vagy nem kifizetődő. Napjainkban igen népszerű ez az alkalmazott kutatási irány: japán kutatók az Asama vulkán tevékenységét vizsgálják emulziós ködkamrák segítségével; a Los Alamosi Kutatóintézet munkatársai olyan berendezés kifejlesztésén dolgoznak, amellyel radioaktív forrás alkalmazása nélkül vizsgálhatják át a határon átkelő járműveket; a Mexikói Állami Egyetem kutatói pedig sokszálas proporcionális kamrák (MWPC) segítségével kutatják a mexikói Teotihuacanban található Nap-piramisának belső szerkezetét.

A szikrakamrákból összeállított müondetektor tesztelése a Berlekey laboratóriumában (L.W. Alvarez, A. Fakhry, és J. Anderson), majd mérés a Kefren piramis Belzoni kamrájában

Történetileg függetlenül – azonban hasonló célzattal – építettük meg a REGARD  (RMKI-ELTE GAseous Detector Research and Development) [2] csoport müontomográfját: geológiai kőzet-inhomogenitások keresésére, illetve hazai barlangokban ismeretlen járatok feltérképezésére.

A müontomográf szerkezete és működése

A müontomográf feladata, hogy a rögzítse a rajta áthaladó töltött részecskék pályaadatait. Tipikusan több, párhuzamosan elhelyezett detektorlemezből építhető, melyeknek minél nagyobb hatásfokkal és felülettel kell rendelkezniük. A korai detektorok szikrakamrák voltak, ám ismert emulziós detektorból, sokszálas proporcionális kamrákból, illetve szcintillációs detektorokból felépített berendezés is. Ideális esetben a detektorlemezeken okozott beütések által megadott kétdimenziós koordinátákból számolható az áthaladt részecske egyenes pályája. Ezt az elvet alkalmazva építettük meg négy darab, egyenként két dimenzióban érzékeny, speciális technológiájú proporcionális kamrából a müontomográfunkat.

A saját fejlesztésű sokszálas kamrák 18 cm x 20 cm nagyságú érzékeny felületűek, argon és széndioxid gázok keverékével töltve. A sokszálas proporcionális kamra detektálóképességének alapja, hogy egy rajta keresztülhaladó töltött részecske ionizálja a gázt, cm-emként mintegy 100 elektront keltve. Az elektronok a kamrában alkalmazott elektromos tér hatására a vezető szálak közelében annyira felgyorsulnak, hogy tovább ionizálva a gázt elektronlavinát keltenek (akár 105-106 darab elektront).

Ezen töltésmennyiség már jól mérhető, a lavina időskálája pedig a mikroszekundum nagyságrendjébe esik.

Az általunk használt elrendezésben a tomográf négy detektorból állt, a két párra osztva, egymástól 4 – 10 – 4  cm távolságban (7. ábra). Ezzel mindkét dimenzióban négy mérési pontot kaptunk. A minimálisan szükségesnél több detektor alkalmazása a nagyenergiás fizikában bevett szokás: két detektor elég lenne a pálya irányának megadásához, három esetén az illesztett egyenes pontossága ellenőrizhető (más forrásból származó háttér csökken), négy detektornál viszont az is megengedhető, hogy valamelyik ne szólaljon meg. A rendszer teljes hatásfoka így (legalább három detektor jelez a négyből) 95% fölötti.

7. ábra: a 4 párhuzamos síkú közelkatódos kamrából épített müontomográf vázlatos rajza.

Kozmikus müonok vizsgálata a detektor segítségével

Detektorunkat a földfelszíni próbák után elsőként a KFKI területén található, Jánossy Lajos által 1951-ben építtetett 32 méter mély aknában teszteltük. Az aknában a felszíntől számítva 10 méterenként sugarasan szétfutó, összesen 6 darab táró található. Tekintettel arra, hogy a Jánossy-akna szerkezeti rajzai rendelkezésre álltak, így ismert geometriájával kiváló lehetőséget teremtett tesztelésre: azaz a müonok elnyelődési hányadának meghatározására adott mélységben, ami a szakirodalomból már eléggé pontosan ismert. A kapott eredmények segítségével könnyen becsléseket tehetünk más anyagi környezetben, más mélységeken végzett földalatti vizsgálatok optimális mérési idejére – még detektorunk odahelyezése előtt.

A müontomográffal az RMKI Gázdetektor Laboratóriumában valamint a Jánossy-akna két szintjén végeztünk méréseket. A mérésekkel egy időben egy szcintillációs detektort is üzemeltettünk, amely két szcintillátor együttes megszólalásait (koincidenciáit) számolta, csökkentve ezzel a földi eredetű sugárzásból adódó hátteret. A mérések kiértékelése során figyelembe vettük a detektorok felületéből, látószögéből és a mérések idejéből adódó müonhozam különbségeket is.  A 8. ábrán látható a mérések eredménye, melyen jól látszik, hogy a müontomográffal (kék keresztek) mért müonhozam megegyezik a szcintillációs számlálóval (piros keresztek) mért eredményekkel valamint az irodalmi adatokkal (fekete vonal). Az eredmények alapján megállapíthatjuk, hogy detektorunk megfelelően méri a müonhozamot. A müonok száma a talajban lefelé haladva gyorsan csökken, tehát érzékeny a detektor feletti anyagmennyiség változására. A müonok számának csökkenése miatt viszont a komolyabb, nagy statisztikájú (~ millió detektált müon) vizsgálatokhoz már több napos folyamatos mérésre van szükség.

8. ábra: a müonhozam mélységfüggése a Jánossy-aknában. Jól látható, hogy a müontomográffal mért müonhozam (kék keresztek) megegyezik a szcintillációs számlálóval (piros keresztek) mérttel és az irodalmi adatokkal (fekete vonal) egyaránt.

A detektorunkon keresztülhaladó müonok irányfüggésének pontos ismerete kitüntetett jelentőséggel bír, tehát megmértük a kozmikus részecskék földfelszíni és föld alatti szögeloszlását. Ismert tény, hogy a világűrben a kozmikus részecskék irányeloszlása egyenletes, méréseink szerint viszont a müonok száma láthatóan csökken, ha a zenithez képesti megfigyelési szöget növeljük. Ennek oka, hogy a zenit felé a legvékonyabb a légkör vastagsága, amin a felső atmoszférában keletkező müonnak át kell hatolnia. A felszínre csak azok jutnak el, akik elegendő energiával rendelkeznek: függőleges irányban körülbelül 1,5 GeV energiát vesztenek a müonok, más szögekben a szög koszinuszával fordítottan arányosan többet. Mindez azt is jelenti, hogy ha mélyebbre megyünk a talajban, a szögeloszlás alakja kis mértékben megváltozik, amit a 9. ábrán látható méréseink is igazoltak. Ha a talaj anyag-eloszlása nem egyenletes, az a fenti szögeloszlás további változását okozza; például egy üreg az adott irányban a müonszám növekedését eredményezi.

9. ábra. Müonhozam szögfüggése a földfelszínen, valamint 10 m és 25 m ún. földekvivalens mélységeken.

Szerkezetvizsgálat müonokkal

A legérdekesebb kérdés a berendezés szempontjából, hogy alkalmas-e nagy kiterjedésű tárgyak anyagsűrűségének leképezésére. Ennek közvetlen demonstrálására a müontomográf felett 12 cm-es magasságban építettünk egy 8 cm x 8 cm x 17,5 cm méretű ólomtornyot (lásd 10. ábra), majd több mint százezer egyedi müon-eseményt vettünk fel: először az ólomtoronnyal, majd anélkül. Feltételezésünk az volt, hogy a két leképezés különbségeként előáll az ólomtömb vetületi müon-képe. A 10. ábra jobb oldalán látható a relatív intenzitás kétdimenzióban, amely bal oldalán jól kivehető a kb. 15%-os intenzitáscsökkenés az ólomtorony helyén.

A kozmikus müonokra tekinthetünk úgy, mint egy természetes ,,röntgensugárzás”, ami kis intenzitása és nagy áthatolóképessége miatt nagy méretű objektumok belső vizsgálatára optimális esetben néhány tíz centiméteres, de inkább méteres felbontóképességgel. Van, hogy más vizsgálati módszerek nem megbízhatók, ilyenkor egyedülálló lehetőséget jelent a kozmikus müonok mérése.

10. ábra. A müontomográf érzékenységét vizsgáló kísérleti összeállítás az ólomtoronnyal és az ólomtorony  müon-képével.

Mérés a Molnár János-barlangban

A müontomográf, mint részecskedetektor, eredeti elrendezésében ellenőrzött laboratóriumi körülmények között kellett működjön. Egy barlangrendszer azonban egyáltalán nem klasszikus labor-környezet: a legnagyobb kihívást a közel 100%-os páratartalom jelenti. A nagy páratartalom miatt az eszköz magasfeszültségű elektródái közt a szigetelőanyag felületi vezetése megnövekszik, és a kialakuló mikroszkopikus szikrák (amelyek kicsit hasonlítanak arra, ahogy a nagyfeszültségű vezetékek ,,zúgnak” esőben) lehetetlenné teszik a mérést. Feladatunk tehát az volt, hogy a berendezés számára száraz környezetet biztosítsunk.

Fontos technikai kérdés az, hogy a detektort még ember számára is nehezen járható barlangi útvonalon, kézben kell lejuttatni a mérés helyére. Azon túl, hogy ez a berendezés méretét limitálja, jelentős igénybevételt, elővigyázatos szállítás ellenére is mechanikai sokkot jelent. Az alkalmazott, ún. közelkatódos technológia optimális választás ilyen szempontból, ami felépítésénél fogva jól viseli a mechanikai behatásokat, a deformációból eredő pontatlanságokat.

A laboratóriumi vizsgálatok és tesztek után a müontomográfot és a hozzá kapcsolódó elektronikákat egy stabil, légmentes dobozba zártuk, majd ezzel a detektorral végeztünk méréseket a budapesti Molnár János-barlang tárójában, már közelítőleg barlangi körülmények között. A detektor működéséhez szükséges argon-keverék a kamrákból a doboz belsejébe áramlott, biztosítva az elegendően alacsony (60% körüli) páratartalmat a kis mennyiségben bejutó nedves levegő ellenében. 2011. január 16-án telepítettük a müontomográfot a barlangba, majd kis megszakításokkal 3 hónapnyi adatot vettünk fel a barlang mesterségesen kialakított, elektromos hálózattal rendelkező tárójában.

A müontomográf a táróban. Ez a detektor még külső számítógépet és hálózati áramot igényelt.

A tesztmérések során számos tapasztalatot szereztünk, azonban látszott, hogy ez a konstrukció igazi barlangi mérésre még nem alkalmas. Ezért a táróban végzett mérésekkel párhuzamosan már készült az újabb detektor. Az új detektor kamrái nagyobb felületűek, ezáltal több müont tudnak detektálni. Az adatgyűjtő számítógép bekerült a hermetikusan zárt doboz belsejébe, és megoldottuk a detektor 12V-os feszültségről történő táplálását is. Így sikerült egy igazi barlangálló, hálózatfüggetlen eszközt létrehozni. Az új detektorral a labormérések után az Ajándék-barlang-ban végeztünk méréseket.

A detektorok fejlődési szakaszai: balra fent az első detektor a laboratóriumi tesztelésen, jobbra fent az első detektor a KFKI Jánossy-aknájában, balra lent az első detektor a Molnár János-barlang tárójában, jobbra lent a második detektor az Ajándék-barlangban.

Mérés az Ajándék-barlangban

A barlang felett végzett geoelektromos mérésekkel több olyan zónát is kimutattunk, ahol a nagy fajlagos ellenállás-értékek ismeretlen üreg létére is utalhatnak. Az értelmezés során azonban nem lehetett eldönteni, hogy ezeket a nagy ellenállás-értékeket valóban üreg, vagy esetleg nagyon tömör, repedésmentes szálkő okozza. Geoelektromos szempontból a kettő között csak nagyon kicsiny a különbség, de a müonok számára óriási: az üregen gyakorlatilag gyengülés nélkül mennek keresztül, míg a szálkőben jelentős a fékeződés, és az elnyelődés.

Szerencsére az egyik ilyen kérdéses zóna olyan helyre esik, amely alá majdnem benyúlnak az Ajándék-barlang már ismert járatai. A detektort alkalmas helyen telepítve a nagyellenállású zóna bőven belefér a műszer látószögébe. Ezért kézenfekvő volt, hogy a következő tesztterület ez legyen. A helyszínválasztásához az is hozzájárult, hogy az Ajándék-barlang felső része kifejezetten tiszta, sármentes, és a mérési helyhez vezető útvonalon nincsenek szűkületek.

Itt már azonban igazi barlangi viszonyokkal kellett számolnunk. A detektor helye a bejárattól 80 m-re, a felszín alatt kb. 60 m-re volt. Ilyen mélységnél hosszú mérési időre kellett felkészülni. Célszerűnek látszott a tápellátást biztosító akkumulátorokat és a gázpalackot a bejáratnál elhelyezni, ezért a bejárattól a detektorig nyomásálló gázcsövet és kis ellenállású elektromos vezetéket építettünk ki. Így a három autóakkumulátor hetenkénti, és a gázpalack egyszeri cseréje könnyen megoldható volt.

A detektor helye az Ajándék-barlangban

Izgalmas feladat volt a felszerelés lehordása a meredek lejtőn A gázpalackot és a tápakkumulátorokat a barlang első termében helyeztük el.

A detektor a kéthónapos mérés alatt kifogástalanul működött. A műszer burkoló dobozát pontosan a négy égtáj irányába állítottuk be, és a mérés alatt egyszer 90 fokkal elfordítottuk, hogy az esetleges érzékenységi hibákat kiszűrhessük. A két pozícióban összesen 167.700 müon pályáját határoztuk meg. Ez elegendő egy jó statisztikájú müoneloszlás-térkép megszerkesztéséhez.

Az értelmezéshez elengedhetetlen a detektor feletti kőzet vastagságának ismerete. Ehhez pedig a felszín pontos topográfiai felmérése, és a detektor, valamint a barlangterem fala közötti levegős tér felmérése szükséges.

A detektor a Mozi-teremben

 

A felszínt a Topográfiai felmérés c. fejezetben ismertetett módszerekkel mértük fel. Többszöri méréssel elértük, hogy Ajándék-barlang feletti részen a ponthálózat elegendően sűrű ahhoz, hogy abból egy fél-egy méter vertikális pontosságú szintvonalas térkép legyen szerkeszthetű. A detektor és a barlang fala közötti teret Leica Disto-val mértük fel. Természetesen pontosan bemértük a detektor barlangon belüli pozícióját is. Az adatokból megszerkesztettük a detektor feletti kőzetvastagság-térképet (11. ábra).

Homogén kőzet esetén azt várjuk, hogy a müoneloszlás – a szükséges korrekciók elvégzése után – a kőzetvastagság-eloszlást tükrözze. Ahol több müon érkezik, mint amennyi a kőzetvastagság-térkép alapján indokolt lenne, ott kisebb sűrűségű anyag, valószínűsíthetően levegős üreg van.

Az Ajándék-barlang-ban mért adatokat feldolgozva a 11. ábrán látható müoneloszlást kaptuk.

11. ábra. Az ajándék-barlangi mérés kőzetvastagság és korrigált müonfluxus térképe. A detektor középen van, a koordinátatengelyeken a zenittől mért szögtávolság van feltüntetve.
A piros szintvonalak a detektorból az adott irányban „látszó” kőzetvastagságot adják meg méterben. A szürkeárnyalatos szintek az adott irányból érkező müonfluxust müon/(szteradián*nap) egységben.

A 11. ábrából két következtetés vonható le: Az egyik, hogy a nyers müonhozamot korrigáló számítások nagyon jó eredményt adtak, mert a müon- és a vastagság-szintvonalak a legtöbb helyen szépen korrelálnak. A másik, hogy D-i irányban (kb. DK-D-DNy-i kiterjedéssel), a 15-30 fokos zenittávolságokkal határolt zónában 5-10 m-nyi kőzetvastagság „hiányzik”. Ez az irány megegyezik a geoelektromos mérések által kimutatott egyik nagy ellenállású objektummal. Az adatok alapján nagy valószínűséggel itt ismeretlen üreg található.

A mért adatok további, pontosabb lehatárolást is lehetővé tesznek, ehhez azonban az új detektorral további tesztmérések szükségesek. Tesztméréshez olyan helyszín kell, ahol a detektor felett nem várható ismeretlen üreg, és a mérési geometria (felszín, detektor körüli tér) viszonylag egyszerű. Ilyen helyszínt találtunk: jelenleg (2012. március) folynak mérések a Kőbányai Sörgyár alatti pincerendszerben. Ezek kiértékelése után még pontosabb képet tudunk majd rajzolni az Ajándék-barlang feletti anomáliáról, egyértelműen eldönthető lesz, hogy van-e ott ismeretlen üreg, és ha igen, akkor kb. milyen kiterjedésű.

Köszönetnyilvánítás

Köszönetünket fejezzük ki az ELTE Geofizikai és tudományi Tanszékének, valamint a Geomega Kft.-nek az RTK GPS és a geoelektromos műszer ingyenes rendelkezésre bocsátásáért.

Köszönettel tartozunk a REGARD csoport minden tagjának többéves szakértő munkájáért.

Irodalom

[1] Barnaföldi G. G., Bencédi Gy., Hamar G., Melegh H., Oláh L., Surányi G., Varga D. (2011): Kincskeresés kozmikus müonokkal. Fizikai Szemle LXI. évf. 12. szám p.:401-407

[2] REGARD csoport weblapja: http://regard.kfki.hu/

Comments powered by CComment

Kategória: