Figure 1. Une image 3D d'un échantillon de carbone, obtenue en utilisant la nouvelle méthode du chercheur et sans endommager l'échantillon. Crédit :Université d'Osaka
En combinant des technologies conçues à l'origine pour les accélérateurs de particules à haute énergie et les observations d'astronomie, les chercheurs peuvent désormais pour la première fois analyser la composition élémentaire d'échantillons sans les endommager, ce qui pourrait être utile pour les chercheurs travaillant dans d'autres domaines tels que l'archéologie, rapporte une nouvelle étude dans Rapports scientifiques .
Les muons sont l'une des nombreuses particules élémentaires de l'univers, actuellement utilisées comme faisceaux de muons dans les expériences d'accélérateur à haute énergie par les physiciens. Mais des chercheurs d'autres domaines se sont également intéressés aux muons en raison de leur potentiel d'analyse de la composition élémentaire d'échantillons précieux, comme l'intérieur des météorites.
La spectroscopie de fluorescence X est largement utilisée dans des domaines tels que l'archéologie et les sciences planétaires, mais elle ne peut analyser que la composition élémentaire des échantillons près de la surface et ne peut pas quantifier avec précision les éléments légers tels que le carbone.
Les muons ont un avantage sur les méthodes actuelles. Lorsqu'un muon négatif est capturé par un matériau irradié, un atome muonique est créé. Les rayons X muoniques émis par les nouveaux atomes muoniques ont une énergie élevée et peuvent être détectés avec une sensibilité élevée sans être absorbés par l'échantillon lui-même.
En ajustant l'énergie des muons accélérés par des accélérateurs de haute énergie, les chercheurs ont pu analyser des échantillons à un niveau unidimensionnel.
Quelle équipe de chercheurs, dirigée par le chercheur du projet du centre de recherche sur les radio-isotopes de l'Université d'Osaka I-Huan Chiu et le professeur associé Kazuhiko Ninomiya, le professeur adjoint du projet de l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers Shin'ichiro Takeda et le professeur de l'Organisation de recherche sur les accélérateurs à haute énergie Yasuhiro Miyake a été de combiner cela avec un détecteur à bande double face au tellurure de cadmium (CdTe-DSD), qui a été conçu à l'origine pour l'analyse d'imagerie bidimensionnelle pour les mesures de rayons X durs et de rayons γ dans l'espace, pour développer un méthode qui permet à l'utilisateur de créer une image tridimensionnelle de la composition élémentaire d'un échantillon.
Figure 2. L'expérience d'imagerie mise en place implique quatre boules de polypropylène qui sont irradiées avec un faisceau de muons négatifs. Les rayons X muoniques résultants seraient analysés par le capteur CdTe-DSD à travers le collimateur à trou d'épingle pour créer une image 2D. Crédit :Université d'Osaka
Figure 3. Spectres d'énergie de l'échantillon et du support en aluminium, à l'aide d'un détecteur à bande double face au tellurure de cadmium et de rayons X muoniques. Crédit :Université d'Osaka
Pour tester leur analyse élémentaire 3D non destructive basée sur les rayons X muoniques et un CdTe-DSD, les chercheurs ont installé leur expérience sur la ligne de lumière de muons D2 du Muon Science Establishment (MUSE) dans J-PARC, un accélérateur de protons à haute intensité installation au nord de Tokyo.
La configuration impliquait la préparation de deux petites boules sphériques en plastique et de deux plus grosses, qui ont été tournées avec une taille de pas de 22,5 degrés à chaque fois pendant l'irradiation aux muons. Une rotation complète a créé un total de 16 images enregistrées par le CdTe-DSD, et un algorithme généralement utilisé en médecine utilisé pour reconstruire une image 3D de l'échantillon.
Figure 4. Images de projection des échantillons prélevés par le détecteur de bande double face CdTe à différents angles de rotation, ainsi que le positionnement réel des échantillons. Crédit :Université d'Osaka
Les résultats ont clairement montré qu'il y avait deux types de balles de tailles différentes et ont pu détecter que l'intérieur était composé de carbone.
Les chercheurs affirment que leur méthode apporte une amélioration importante pour l'analyse élémentaire actuelle dans divers domaines et peut être utilisée pour le profilage de la profondeur élémentaire d'échantillons archéologiques.
Les détails de cette étude ont été publiés dans Rapports scientifiques le 29 mars. + Explorer plus loin
