激光等离子体加速器单脉冲实现μ子穿透成像

美国与捷克科研团队在预印本平台arXiv发表论文，首次展示基于激光等离子体加速器的多吉电子伏特（GeV）μ子放射照相技术。该装置仅用单个激光脉冲，便在15米外成功穿透铅屏蔽层、建筑墙体及卡车车身，并采集到可用图像。

传统X射线难以穿透高密度材料，而宇宙射线产生的天然μ子通量过低，需数周至数月才能成像。μ子质量约为电子的207倍，几乎不与物质发生作用，可穿透混凝土、岩石与钢铁。研究团队采用科罗拉多州立大学的艾派奇级（Petawatt）高性能激光器ALEPH作为实验平台，将极短强激光脉冲射入气体中激发等离子体波，使电子在厘米至米尺度内加速至数GeV能量。这些高能电子随后轰击重靶材，通过级联反应生成包含μ子在内的次级粒子束。

实验中，能量为1至10 GeV的粒子束穿过测试目标后，探测器记录到的信号足以从单次脉冲中提取清晰图像。研究人员通过闪烁探测器捕捉符合μ子寿命特征的衰变事件，并结合计算机模拟确认穿透物质的成分几乎全为μ子。单个脉冲提供的μ子通量相当于地平线附近宇宙射线八小时以上的累积量，大幅缩短了侧向扫描所需的曝光时间。

该项目由美国部研究计划局（DARPA）“科学与安全用μ子”计划资助，劳伦斯利弗莫尔国家实验室牵头开发可运输式μ子源ICMuS2项目。团队长期瞄准10至100吉电子伏特的能量目标，以弥补现有检测手段的短板。潜在应用场景包括集装箱与车辆隐蔽核材料筛查、乏燃料储存罐监测、老旧桥梁与高炉结构评估，以及地下掩体与隧道探测。

目前该技术仍处于预印本阶段，尚未完成同行评议。现有激光系统体积庞大且需密集屏蔽层过滤π介子与中子，距离车载化部署尚有距离。后续研发拟聚焦提升激光重复频率、缩小探测器尺寸，以实现大物体的快速逐层扫描。相关论文已公开于arXiv服务器。