Une nouvelle génération de détecteurs de muons // A new generation of muon detectors

drapeau francaisIl y a quelques semaines, j’ai expliqué dans plusieurs notes que la muographie pourrait jouer un rôle crucial pour mieux comprendre les chambres magmatiques qui se cachent à l’intérieur des volcans. Jusqu’à présent, le problème était que cette nouvelle technologie était lourde et coûteuse à mettre en œuvre. Cependant, une nouvelle technique de pointe en matière d’imagerie est en passe de devenir plus facile d’utilisation et moins coûteuse, grâce à une innovation majeure mise au point par des chercheurs japonais et hongrois.
Rappelons que les muons, un type de particules élémentaires, sont semblables aux électrons, mais au moins 200 fois plus lourds. Les muons que l’on rencontre à la surface de la Terre proviennent des collisions de rayons cosmiques avec des particules dans l’atmosphère terrestre et ils peuvent pénétrer profondément dans le sol. De la même façon qu’une plaque de rayons X capte le rayonnement traversant le corps, un équipement spécial est utilisé pour capturer les muons qui traversent les volcans et d’autres objets.
Une conférence internationale qui s’est tenue au Japon en 2015 a conduit à l’élaboration conjointe – par une institution japonaise et son homologue hongrois – de détecteurs prototypes incorporant des détecteurs de gaz. En mai 2016, les deux institutions ont signé un accord qui met l’accent sur les applications commerciales de la nouvelle technologie.
Les chercheurs vont continuer à collaborer afin de créer des détecteurs de muons commercialement viables et assez petits pour être transportés dans un sac. L’équipement actuellement utilisé pèse en général plusieurs tonnes et coûte environ 973 000 dollars (environ 872 500 euros).
La première génération de détecteurs se composait de plaques d’émulsion nucléaires qui enregistraient les traces de particules chargées qui les traversaient, comme un film photographique enregistre les traces de lumière.
Les équipements de deuxième génération, maintenant largement utilisés, associent des détecteurs en plastique et des tubes à dérive (PDT) pour capturer la lumière émise par muons qui les traversent, une amélioration qui permet aux instruments de recueillir des données en continu. Cependant, cette technologie de deuxième génération nécessite de nombreux tubes photo, ce qui augmente le prix des instruments et ne permet guère de réduire leur taille.

Les détecteurs de gaz de troisième génération en cours de fabrication aujourd’hui se composent de tubes remplis d’un mélange d’argon et de dioxyde de carbone. Une grille de fils électriques très fins capture les petits éclairs produits lorsque les muons traversent le gaz ionisé. Tout en étant plus petits et moins coûteux, les nouveaux instruments permettent également d’obtenir des images de résolution plus élevée en réduisant la distance entre les fils électriques. Certains défis technologiques ont dû être surmontés. Les détecteurs de gaz sont vulnérables aux vibrations, ce qui peut provoquer un court-circuit au niveau des fils électriques ; ils sont aussi sensibles aux changements de température. L’Académie des Sciences de Hongrie réussi à surmonter ces problèmes. En combinant les tubes, les chercheurs hongrois ont mis au point un prototype sous la forme d’une plaque de 80 cm de long sur 80 cm de large.
Le nouveau détecteur coûte environ 200 000 yens (environ 1.750 euros) le mètre carré, soit moins de 10% du coût des équipements de deuxième génération. Il pèse une dizaine de kilogrammes, soit un septième du poids de son prédécesseur. Il offre une résolution de 1cm, soit deux fois la performance des instruments actuellement utilisés.
Les nouveaux détecteurs de muons peuvent trouver une vaste gamme d’applications. Ils peuvent être mis à profit, par exemple, pour détecter des signes de vieillissement à l’intérieur des bâtiments et des routes. Ils peuvent également être utilisés pour inspecter les conditions à l’intérieur des fours dans le cadre du contrôle de la qualité des produits sidérurgiques.
Les chercheurs ont l’objectif ambitieux de développer un détecteur de muons qui ne coûterait que 100 000 yens (environ 875 euros). Si le projet réussit, le marché de tels équipements pourrait se développer rapidement.
Source: Nikkei Asian Review: http://asia.nikkei.com/

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drapeau anglaisA few weeks ago, I explained in several notes that muography could play a crucial to understand the magma chambers that are hidden inside volcanoes. Up to now, the problem was that this new technology was rather cumbersome and costly to implement. However, a cutting-edge imaging technique may become more accessible and affordable, thanks to a major innovation by Japanese and Hungarian researchers.

Let’s recall that muons, a type of elementary particle, are similar to electrons but more than 200 times heavier. The muons found at the Earth’s surface are created by collisions of cosmic rays with particles in the Earth’s atmosphere and can penetrate deep into the ground. Just like an X-ray plate captures radiation passing through the body, special equipment is used to capture muons passing through volcanoes and other objects.

An international conference held in Japan in 2015 led to the joint development of prototype equipment for muography that uses gas detectors, by a Hungarian and a Japanese scientific institution. In May 2016, the two institutions signed an agreement that focuses on joint efforts to explore commercial applications of the new technology.

The researchers will continue working together to create a commercially viable muography instrument that is small enough to be carried in a bag. The equipment currently used typically weighs several tons and costs about 973,000 dollars (about 872,500 euros).

The first generation of muography equipment featured nuclear emulsion plates that recorded the traces of charged particles passing through, just as photographic film records the traces of light.

Second-generation equipment, now used widely, utilizes a combination of plastic detectors and photo drift tubes (PDT) to capture light emitted by muons as they pass through, an improvement that enables the instruments to gather data continuously. However, the second-generation technology requires many photo tubes, making instruments expensive and difficult to downsize.

The gas detectors now being developed in the third generation feature tubes filled with a mixture of argon and carbon dioxide. A grid of fine electric wires captures small bolts of lightning produced when muons pass through ionized gas. In addition to being smaller and cheaper, the new instruments also allow higher-resolution images by narrowing distances between electric wires. Some technological challenges had to be overcome. Gas detectors are vulnerable to vibrations, which can cause a short circuit in the electrical wiring, and also to changes in temperature. The Hungarian Academy of Sciences has contributed to overcoming these issues. By combining tubes, it has developed a prototype muon detector in the form of a plate that is 80cm in length and width.

The detector costs around 200,000 yen (about 1,750 euros) per square metre, less than 10% of the cost of second-generation equipment, and weighs about 10kg, or one-seventh the weight. It offers a resolution of 1cm, twice the performance of current instruments.

The new instruments may find a wide range of applications. They can be put to use, for instance, to detect signs of aging inside buildings and highways. They can also be used to inspect conditions inside furnaces as part of quality control for steel products.

The researchers have an ambitious goal of developing a muography instrument that costs only about 100,000 yen (about 875 euros). If the project succeeds, the market for muography equipment could grow sharply.

Source : Nikkei Asian Review : http://asia.nikkei.com/

 Muons Soufrière

Image muonique de la Soufrière de la Guadeloupe (Source: CNRS)

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