В Троицком институте инновационных и термоядерных исследований создали и испытали полнофункциональный образец мюонного томографа для поиска и оценки рудных месторождений, позволяющий проводить прямое измерение плотности грунта с трехмерной томографической реконструкцией.
Ученые АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» впервые в России разработали оборудование и предложили уникальную методику по поиску полезных ископаемых с помощью регистрации потока космических мюонов на различных глубинах в скважинах.
Принцип исследования посредством мюонной томографии ученым известен давно и применяется во многих областях науки и техники, например, в досмотровых системах. Мюоны образуются в результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атомов атмосферы земли, существуют чуть более двух микросекунд, но обладая высокой энергией успевают пролететь вглубь земли на расстояния до нескольких километров. Долгие годы использование мюонов для поиска полезных ископаемых ограничивалось сложностью создания достаточно компактного мюонного детектора, который можно разместить в скважине. В 2023-2024 годах в рамках проекта АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» и АО «ЭЛЬКОНСКИЙ ГМК» удалось консолидировать усилия высокоэффективной команды ученых, инженеров и программистов для разработки и создания мюонного детектора, построенного на основе регистрации мюонов с помощью сцинтиллирующего оптического волокна и кремниевых фотоумножителей (SiPM). Внешний диаметр корпуса компактного мюонного детектора менее 100 мм с возможностью измерения потока мюонов в скважинах на глубинах до 1500 м.в.э. (метров водного эквивалента). Мюонный томограф обладает модульной конструкцией удобной для транспортировки, длина одного модуля менее 2.5 метров при массе около 40 кг.
«Размещая детекторы мюонного томографа в нескольких скважинах около исследуемой области грунта, после набора данных о потоке мюонов, с помощью разработанного программного обеспечения, строится трехмерная томографическая картина распределения плотности грунта в исследуемом объеме. Детекторы мюонного томографа созданы полностью на территории России, все узлы детекторов разработаны и созданы собственными усилиями коллектива проекта», – рассказал научный руководитель проекта Александр Голубев
Полнофункциональный образец мюонного томографа для поиска и оценки рудных месторождений состоит из четырех модулей сцинтилляционного детектора, общая длина полнофункционального образца мюонного томографа составляет ~ 9 м. Регистрируя с помощью мюонного томографа ослабление потока мюонов на разных глубинах, с учетом угловых характеристик треков мюонов, и, используя метод томографического восстановления плотности, измеряется пространственное распределение плотности грунта по глубине.
При проведении геологоразведовательных работ с использованием мюонного томографа шаг сетки бурения скважин может в 4 раза превышать расстояние между скважинами при традиционных методах поиска, что позволяет существенно (более чем в 10 раз) снизить стоимость проведения геологоразведки.
Проведены испытания полнофункционального образца мюонного томографа с применением тестового объекта на территории АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ». По результатам испытаний в течении четырех дней измерены угловые гистограммы распределения плотности объекта, точность определения средней плотности лучше чем 2,6 %. На основе выполненных измерений потока мюонов с помощью разработанного программного обеспечения проведена трехмерная томографическая реконструкция формы и плотности тестового объекта.
Работа проведена в рамках Единого отраслевого тематического плана Госкорпорации «Росатом» (ЕОТП). Заказчиком разработки мюонного томографа выступило АО «Эльконский ГМК» - предприятие Горнорудного дивизиона Госкорпорации «Росатом». В последующие года планируется подготовка инвестиционного проекта для проведения полевых испытаний в условиях рудных месторождений, разработки методики мюографического поиска полезных ископаемых с подготовкой заявки для регистрации в Федеральном агентстве РОСНЕДРА.
Скваженный мюонный томограф является перспективным изделием и может быть применен в большом круге задач, связанных как с поиском полезных ископаемых, так и в задачах промышленной геологоразведки, исследования и мониторирования вулканов и фундаментальных геофизических исследованиях.
