美国伯克利实验室与Ideon获资助开发可移动μ子成像仪

美国能源部（DOE）能源高级研究计划局（ARPA-E）通过“基石传感可靠矿石表征”（ROCKS）计划，向劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）与Ideon Technologies公司的合作项目提供资助。这个为期三年的项目以传统传感技术无法达到的精度对地下深层矿产成像，保障美国国内关键矿产供应，这类材料对能源、工业和国家安全生产至关重要。

项目核心是μ子，一种穿透力极强的天然亚原子粒子。Ideon多年来与采矿业合作，利用宇宙射线与大气粒子碰撞产生的“被动”μ子绘制矿藏图、了解地下结构。这类μ子只从上方到达，对位于矿体或地质构造下方的探测器而言成像受限；通量约每分钟每平方厘米一个μ子，成像曝光通常需要数天、数周甚至数月，具体取决于所需深度和分辨率。

新项目旨在提供可指向矿体等目标的高通量μ子束，生成高分辨率3D图像，把矿产发现和表征时间从数月压缩到数小时，加快从发现到开采的进程。此类μ子源依赖高能粒子加速器，设备必须足够紧凑和可移动，才能适应现场应用。

项目首席研究员、伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部门BELLA中心高级科学家兼实验副主任Jeroen van Tilborg介绍，能量约10吉电子伏（GeV）的μ子可穿透约20米厚的岩石、土壤和矿层；30 GeV至100 GeV的更高能μ子可穿透50米至超过100米深度。

“主动”μ子源基于BELLA中心研发的激光等离子体加速器（LPA）技术。强超短激光脉冲在等离子体中置换电子，形成的静电波（尾场）能提供比传统加速器高几个数量级的加速场，在厘米级距离内把电子束加速到多GeV能量。电子随后被引导至固体靶，产生比天然通量强三到四个数量级的μ子束，同时保持入射电子能量。van Tilborg说，产生μ子束所需的高电荷、高能电子束驱动器，正是紧凑型LPA凭借超高加速梯度和紧凑性能够胜任的领域。

伯克利实验室此前已在30厘米距离上单级加速出10 GeV电子束。项目当前目标是把两个约6 GeV的LPA级耦合在一起，实现超过12 GeV的加速。完成并降低这一多级概念验证的风险后，将验证通往30 GeV系统（穿透50米岩石）和100 GeV系统（穿透150米）的技术路径。

两级加速的关键是有源等离子体透镜和高反射等离子体镜：前者在电子束离开一级进入下一级时重新聚焦，后者保持激光特性，使其能继续驱动下一级的等离子体尾场。两个部件共同保证电子束逐级通过并逐级获得能量，这对产生最深地质目标高分辨率成像所需的深穿透μ子至关重要。

ATAP部门职员科学家Anthony Gonsalves表示，伯克利实验室在LPA研究方面多年的投资，已经产生了使这个项目成为可能的技术。他负责领导加速器工作，并担任新μ子项目的实验负责人。在他看来，这个项目是一个令人兴奋的机会，能把数十年加速器研究转化为解决重要国家需求的技术，通过开发可靠系统来提供实际地下成像所需的高能μ子。

项目由三家机构分工推进。ATAP部门作为硬件牵头方，应用其在激光等离子体相互作用和高保真粒子网格（Particle-In-Cell）模拟方面的专业知识，开发两级12 GeV电子源。Ideon面向矿物勘探和采矿业提供μ子断层扫描和先进数据融合能力，其专有的μ子探测器阵列、物理模拟和地质软件能把原始数据转化为3D质量密度可视化，让地质学家以米级分辨率识别矿藏和结构异常。伯克利实验室物理部门凭借数十年高能粒子对撞机探测器经验，提供μ子仪器和粒子跟踪诊断，用于优化μ子束。

Ideon首席技术官Douglas Schouten表示，关键矿产挑战要求以更快、更好的方式理解和开发社会急需的资源。借助项目成果，比世界最大粒子加速器更先进的物理学将在数小时而不是数月内，对数百万立方英尺的岩石完成成像。Ideon与伯克利实验室等世界领先研究机构的合作，正在把这一前沿能力带出实验室，与先进传感和亚原子粒子的穿透力相结合，为社会所依赖的行业释放价值。

通过结合伯克利实验室在先进加速器方面的专业知识与Ideon的商业和先进量子传感能力，该项目有望为更快、更准确、更具成本效益的矿产资源表征奠定基础，带动美国国内关键矿产开发，增强能源、工业和国家安全的供应链。这项技术的应用不止于采矿。成像系统还能识别地下空洞、缝隙和洞穴，为土木工程和工业安全提供优势，并对国家安全和关键基础设施产生影响。

ATAP部门主任Cameron Geddes表示，通过开创深穿透便携式μ子源的开发，该项目确保美国在能源和经济至关重要的关键矿产资源方面保持领导地位，相关技术来自开创性加速器和探测器研发的多年积累。