Muografia - uma nova ferramenta da geofísica
- Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas(líder)
- Universidade de Évora(parceiro)
Resumo
A muografia é uma técnica de imagiologia que utiliza uma fonte de radiação natural e abundante: muões produzidos na atmosfera terrestre pela interação de raios cósmicos. Os muões podem atravessar grandes quantidades de matéria, o fluxo é atenuado a escalas de kg/cm2, e podem ser usados para medir a densidade de grandes estruturas. O uso da muografia tem tido grandes desenvolvimentos nos últimos anos. A nossa equipa junta especialistas em detectores de partículas e análise de raios cósmicos do LIP e uma longa tradição de sondagem e análise geofísica do ICT-Évora. Com o apoio do Centro de Ciência Viva do Lousal, que alberga os testes finais do nosso projeto. O objetivo é estabelecer o uso de muografia, baseada em RPCs, nas sondagens geofísicas de subsuperfície. Neste projecto exploratório fazemos o teste num cenário acessível mas realista, que nos ajudará na preparação do instrumento e métodos para uso futuro. O projecto tem três componentes fundamentais: 1 - o instrumento, que já existe mas será caracterizado e optimizado no laboratório; 2 - os métodos de análise, que estão a ser desenvolvidos conjuntamente por físicos de partículas e geofísicos; 3 – o cenário de teste, no Lousal, que será antes caracterizado por técnicas independentes para servir como referência à primeira campanha de muografia de sub-superfície da equipa. No fim do projeto exploratório, teremos um melhor conhecimento sobre a geologia do Lousal e experiência directa do potencial da muografia para a geofísica de sub-superfície. O instrumento e os métodos ficarão prontos para utilização em futuras campanhas. O nosso instrumento, o muógrafo, é um telescópio de muões composto por quatro planos de Câmaras de Placas Resistivas (RPCs) quadrados com um metro de lado, operando com um fluxo de gás reduzido e lidas por eletrónica de baixa potência. Estes detectores foram desenvolvidos pela equipa do LIP para serem usados em grandes observatórios de raios cósmicos, onde os detectores têm de ser estáveis e ter grande autonomia – o que permite a sua aplicação na geofísica. O muógrafo está em operação no laboratório de detectores do LIP, em Coimbra. Os dados aí recolhidos serão usados para caracterizar e guiar melhoramento futuros do instrumento, e para optimizar a reconstrução e análise das imagens. Testar a muografia num edifício é um primeiro passo antes da desafiante ida para o Lousal. Um ponto chave neste projeto é a integração das técnicas da física de partículas com as técnicas da geofísica. Por um lado, usaremos ferramentas da física de partículas para simular todos os detalhes da propagação de muões sobre um modelo detalhado da geologia e geofísica. Por outro, faremos a análise geofísica num sistema que melhor tenha em conta a informação sobre as propriedades dos muões e dos detectores de partículas. No Lousal encontramos uma galeria subterrânea com várias estruturas geológicas interessantes para análisar na escala de poucos metros. Localmente existem rochas sedimentares paleozóicas e vulcânicas e a falha regional de Corona. Construiremos um modelo detalhado, juntando informação geológica e geofísica regional com informação local recolhida durante o projecto de forma independente da muografia. Este modelo será usado para preparar os nossos testes com diferentes cenários de observação. As primeiras muografias serão comparadas com o resultado esperado da simulação que inclui toda a informação existente sobre a densidade das estruturas geológicas envolventes. A análise geofísica integrará apenas informação indirecta sobre densidade, obtendo o mapeamento tri-dimensional desta a partir dos dados da muografia. Tentaremos assim identificar, independentemente, as estruturas já conhecidas, como teste completo da muografia enquanto nova ferramenta da geofísica. Depois, tentaremos melhorar a precisão do mapeamento geológico e geofísico de densidades no Lousal, numa primeira aplicação real. Estes resultados abrirão o caminho para outros projectos científicos e também para aplicações industriais. O teste numa galeria mineira aberta a visitantes é uma aproximação à utilização da muografia numa mina em operação – por exemplo para evitar acidentes causados por perfuração de bolsas de gás em explorações de sal. Essa e outras utilizações serão tornadas possíveis pela experiência de utilização do instrumento e dos métodos adquirida neste projecto.
Objetivos, atividades e resultados esperados/atingidos
EM PT
A muografia é uma técnica de imagiologia que utiliza uma fonte de radiação natural e abundante: muões produzidos na atmosfera terrestre pela interação de raios cósmicos. Os muões podem atravessar grandes quantidades de matéria, o fluxo é atenuado a escalas de kg/cm2, e podem ser usados para medir a densidade de grandes estruturas. O uso da muografia tem tido grandes desenvolvimentos nos últimos anos.
A nossa equipa junta especialistas em detectores de partículas e análise de raios cósmicos do LIP e uma longa tradição de sondagem e análise geofísica do ICT-Évora. Com o apoio do Centro de Ciência Viva do Lousal, que alberga os testes finais do nosso projeto.
O objetivo é estabelecer o uso de muografia, baseada em RPCs, nas sondagens geofísicas de subsuperfície. Neste projecto exploratório fazemos o teste num cenário acessível mas realista, que nos ajudará na preparação do instrumento e métodos para uso futuro.
O projecto tem três componentes fundamentais: 1 - o instrumento, que já existe mas será caracterizado e optimizado no laboratório; 2 - os métodos de análise, que estão a ser desenvolvidos conjuntamente por físicos de partículas e geofísicos; 3 – o cenário de teste, no Lousal, que será antes caracterizado por técnicas independentes para servir como referência à primeira campanha de muografia de sub- superfície da equipa.
No fim do projeto exploratório, teremos um melhor conhecimento sobre a geologia do Lousal e experiência directa do potencial da muografia para a geofísica de sub-superfície. O instrumento e os métodos ficarão prontos para utilização em futuras campanhas.
O nosso instrumento, o muógrafo, é um telescópio de muões composto por quatro planos de Câmaras de Placas Resistivas (RPCs) quadrados com um metro de lado, operando com um fluxo de gás reduzido e lidas por eletrónica de baixa potência. Estes detectores foram desenvolvidos pela equipa do LIP para serem usados em grandes observatórios de raios cósmicos, onde os detectores têm de ser estáveis e ter grande autonomia – o que permite a sua aplicação na geofísica.
O muógrafo está em operação no laboratório de detectores do LIP, em Coimbra. Os dados aí recolhidos serão usados para caracterizar e guiar melhoramento futuros do instrumento, e para optimizar a reconstrução e análise das imagens. Testar a muografia num edifício é um primeiro passo antes da desafiante ida para o Lousal.
Um ponto chave neste projeto é a integração das técnicas da física de partículas com as técnicas da geofísica. Por um lado, usaremos ferramentas da física de partículas para simular todos os detalhes da propagação de muões sobre um modelo detalhado da geologia e geofísica. Por outro, faremos a análise geofísica num sistema que melhor tenha em conta a informação sobre as propriedades dos muões e dos detectores de partículas.
No Lousal encontramos uma galeria subterrânea com várias estruturas geológicas interessantes para análisar na escala de poucos metros. Localmente existem rochas sedimentares paleozóicas e vulcânicas e a falha regional de Corona. Construiremos um modelo detalhado, juntando informação geológica e geofísica regional com informação local recolhida durante o projecto de forma independente da muografia. Este modelo será usado para preparar os nossos testes com diferentes cenários de observação.
As primeiras muografias serão comparadas com o resultado esperado da simulação que inclui toda a informação existente sobre a densidade das estruturas geológicas envolventes. A análise geofísica integrará apenas informação indirecta sobre densidade, obtendo o mapeamento tri-dimensional desta a partir dos dados da muografia.
Tentaremos assim identificar, independentemente, as estruturas já conhecidas, como teste completo da muografia enquanto nova ferramenta da geofísica. Depois, tentaremos melhorar a precisão do mapeamento geológico e geofísico de densidades no Lousal, numa primeira aplicação real.
Estes resultados abrirão o caminho para outros projectos científicos e também para aplicações industriais. O teste numa galeria mineira aberta a visitantes é uma aproximação à utilização da muografia numa mina em operação – por exemplo para evitar acidentes causados por perfuração de bolsas de gás em explorações de sal. Essa e outras utilizações serão tornadas possíveis pela experiência de utilização do instrumento e dos métodos adquirida neste projecto.
EM EN
Muography is an imaging technique that uses natural cosmic muon radiation, produced at high rate by cosmic rays impinging on the Earth atmosphere. Muons can transverse large depths, the flux attenuated is measured in cross integrated depths of the order order of kg/cm2. They are thus powerful probes for imaging large structures. The use of muography has seen a substantial development in the last years.
Our team joins different expertise in particle detectors and cosmic ray analysis from LIP, and long tradition in geophysical surveys and analysis from ICT-UÉvora. With a strong support from the Lousal Science Centre (see support letter), which will house the final tests in our project.
Our goal is to establish the use of RPC-based muography for Earth subsurface surveys. In this exploratory project we will benchmark it in an accessible but realistic setting. It will significantly boost the preparation of the instrument and methods for future use in a number of applications on subsurface geophysics.
There are three fundamental pieces for this project: 1) the instrument - which already exists but will be full characterized and optimized in the laboratory; 2) the analysis methods - which are being developed together between particle physicists and geophysicists; 3) the test site, at Lousal - which needs to be well characterized with independent geophysical techniques, to provide a reference for the first subsurface muographic survey by the team.
At the end of the exploratory project, we will have a better knowledge of the geology of Lousal and a direct assessment of the potential of muography for subsurface geophysics. Both the instrument and the methods will be ready for larger scale projects.
Our instrument, the muographer, is a muon telescope composed of four planes of one square meter Resistive Plate Chambers (RPCs) operating with low gas flux, readout by low-power front-end-electronics. They were developed by the LIP team for application in large open air cosmic ray observatories, where the detector needs to have high autonomy and reliability as for geophysical application.
The muographer is now operating in the LIP detector laboratory. The data acquired there will be used for characterization of the instrument, guiding future upgrades, and to optimize image reconstruction methods. Testing the full muography machinery in the controlled environment of a building is a first step, before the challenging move to Lousal.
Integrating particle physics and geophysics techniques is key in this project. Using particle physics tools we will create a full simulation chain which can include all the details of muon propagation over a detailed geophysical model. Conversely, we will make the geophysical model inversion starting from the typical coordinate system of muography, which better accounts for the particle physics aspects.
At Lousal there is an underground gallery providing a diversity of well-controlled geological structures to analyse at the meter scale. The local setting includes Paleozoic age sedimentary and volcanic rocks and the regional Corona fault. We will first construct a detailed model from existing large scale information and specific local knowledge gathered during the project, with surveying methods independent of muography. It will be used to guide our muographic survey, configuring different scenarios for observation.
The first 2D muographs will be confronted with the one expected from the full simulation, including all the available density information. The full geophysical analysis will be done using only other constraints, in order to independently obtain the 3D density mapping from the muographic data.
We aim at identifying independently the geological structures we already know about, providing an end-to-end test of muography. The muographic data will then be used to increase the precision of the density mapping at Lousal, in a first real case application.
These results will pave the road for future scientific projects and also industrial applications. The test in an underground gallery opened to the public mimics the usage of muography in an operating mine, for example to prevent accidental explosions from inadverted perforation of gas pockets in salt explorations. This and other uses will become possible by the experience in the use of the instrument and methods gained in this project.
| Attribute | Type | Value |
|---|---|---|
| id | integer | 5189 |
