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特務電影成真:建築和地球結構都能透視的「渺子成像術」——專訪中央大學物理系郭家銘教授與地科系陳建志教授

110/07/06 瀏覽次數 6767

想像一下特務電影的經典橋段:主角成功潛入敵方基地,接著拿出他的神秘裝置,把它安裝在牆上,不到幾秒時間,基地內部的空間結構圖就全部呈現在螢光幕上。這種透視整座建築物的技術,讓電影展現了近未來的科幻色彩,那麼,在現實世界中,我們還有多久才能開發出這樣的技術? 
「不用未來,事實上現在是可以的,但要幾秒那麼短的時間倒是不可能。」中央大學物理系的郭家銘老師說,只要利用「渺子成像術」就能做到,他和中央大學地科系的陳建志老師、電機系林祐生老師、中研院物理所林志勳老師執行中的計畫,就是在研究這項技術,不過他們透視的主要對象不是建築物,而是山體。

幫巨大物體照X光的新型成像術

說明渺子成像術之前,首先要介紹什麼是「渺子(muon)」。渺子是組成物質的基本粒子之一,最早在1936年被物理學家卡爾.安德森(Carl Anderson)發現,和電子一樣屬於輕子,兩者最大的不同之處在於,渺子的質量比電子重了約210倍,這點讓渺子具有很強的穿透能力。自然界中的渺子主要由外太空來的宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後,經由π介子衰變來到地表,在你閱讀這篇文章的同時,也有無數的渺子從四面八方飛來,以接近光速穿過你的身體。

解釋圖

渺子是經由宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後,由π介子衰變而來。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

渺子的另一個特性是,在密度越大的物質中,它的能量損失得越快。在福島核電站的修復工程中,渺子探測的技術被用來從安全距離之外探測密度極高的鈾、鈈等放射性物質,以免修復人員受到輻射影響,這是其他成像技術無法做到的。而對於密度沒那麼高的建築物,或是山體、岩層等地球結構,渺子有可能穿透長達數公里的距離。渺子成像術的基本原理,就是分析不同角度探測到的渺子數目,再反過來推算探測目標內部各部份的密度,只要有兩個點的數據,就能建立三維的透視結構,就像是幫建築和山體照X光。以在的中央大學的圖書館來說,雖然無法像電影一樣在幾秒內成像,但也只要一週左右就能得到不錯的成果。

郭家銘老師說,渺子成像術在臺灣是個不常聽到的詞,但相關實驗在1950年代就已經出現,其中最有名的是在1960年代,研究團隊在沒有傷害金字塔結構的情況下,用渺子成像術找出了內部隱藏的密室。郭家銘老師則是在2014年,在西班牙的高能物理研討會得知這項技術。

「我做的是高能物理,常有人覺得我們的研究成果沒什麼應用價值,那時候聽到這樣一項報告,是可以在民生經濟上提供一些幫助的,聽起來就很酷。」郭家銘老師說,一般人覺得高能物理就是研究基本粒子,是很純的物理,但這個領域也對人類生活有不少貢獻。卡爾.安德森在發現渺子的同一年因為發現正子獲得諾貝爾獎,當時沒人知道怎麼應用,但現在正子被用來治療癌症,這就是從高能物理開展出的新技術,渺子成像術也是其中之一。

西班牙的會議後過了幾年,郭家銘老師有一名助教找到新型渺子探測器的論文,幫助兩名學生試著自行製作;兩年前剛好科技部推出鼓勵跨領域研究的沙克爾頓計畫,經過一番牽線,郭家銘老師找到了以前的鄰居陳建志老師,開始執行計畫,試著將渺子成像術應用在地球科學領域的探測上。

渺子探測儀

渺子探測儀。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

「我們地球物理的研究者,一直都是用各種方法在地表測量物理場,去得知地底下的結構,各式各樣的探測技術都想要積極開發。」陳建志老師說,渺子探測出的物理量是岩體的密度,傳統的測量方式是重力測勘,但這種方式探測的對象往往是以數公里為單位,沒辦法做更細緻的探測。「以臺灣來說,我們很容易因為豪雨造成山崩,但這種事件不會無端發生,有潛在危險的坡體,在某些地方是破碎的,密度會比緻密、完整的岩層更小。像這種數十公尺級的對象,用傳統的重力法很難做得到,但渺子探測術能解析的空間非常細,就可以應用在這種地方,來找出有邊坡危害的土地。」作為一項發展中的新技術,渺子成像術可以探測的對象體積大,解析度可高達數十公尺,也不需要額外產生震波、電流等人工信號,有著各種讓陳建志老師期待的優點,但也理所當然地,有著許多要面對的挑戰。
 

初次應用實驗,為隧道工程探勘前路

由郭家銘、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫,研究團隊含括了物理系、地科系、電機系等不同系所的成員,目前已經執行到第二年。在最初的一年半,團隊專注於兩個目標:新型探測器的研發,和反演算法的的發展。

渺子成像術應用計畫研究團隊

郭家銘、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫研究團隊。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

郭家銘老師說,在高能物理這個領域,為了實驗寫程式、設計電路板是稀鬆平常的事。目前他們正在建造的探測器和傳統用於渺子成像術的探測器不同,體積更小,需要的電壓也從1000伏特減少到30伏特,用在戶外實驗的機動性更高。得到測量的數據後,還需要有個反演算法去回推觀測對象內部各部份的密度,這部份的技術則是由地科系的成員來持續完善。陳建志老師說,反演算法本來就是地球物理領域的重要技術,就像是把觀測對象拆解成一個個小方塊,根據不同位置、角度測量到得渺子數量,來推測每個方塊的密度。郭家銘老師在一旁開玩笑,說一般人對物理學家常有埋首計算的印象,沒想到這次合作下來,才知道地科系要懂的數學比物理系深不少。

經過了充分的測試後,團隊在2020年底開始現場探測的實驗。當時石門水庫的阿姆坪防淤隧道正在開挖,陳建志老師在現場做物理探查,剛好介紹團隊來施工現場探測。「這個隧道的鑽挖過程可能會遇到一段,地質上我們叫新店斷層的東西。新店斷層在阿姆坪這個位置的上方,有一層非常多的煤炭層,開挖過程會經常聚集沼氣,在工程上有高度危險。」陳建志老師說,隧道工程中有項作業叫前進探查,隨著隧道往前鑽挖,會持續探測前方岩體的材質。傳統的探查方式用的是力學波,但陳建志老師認為,渺子成像術有取代傳統方式的潛力,讓未來的隧道工程更加安全,便介紹團隊來到阿姆坪的施工現場,把探測器架設在開挖中的隧道前,持續測量渺子通過的數量。 

阿姆坪

探測器架設在阿姆坪開挖中的隧道前,測量渺子通過的數量。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

由於垂直方向的渺子穿過的只有大氣層,當探測器對準正上方,測量到的渺子數量最多,而隨著探測器仰角越來越低,渺子要通過的障礙就越多,測量到的渺子會越來越少,而水平方向通過的渺子則是最少的。阿姆坪的地勢比預期中更平,雖然不至於無法探測,但就得增加探測器的數量,否則就得把實驗天數拉長,才能取得足夠的數據。

除了實驗時間必需拉長外,實驗本身進行得相當順利,至今已不中斷進行三個月的實驗。高能物理的實驗通常在室內進行,溫度和濕度都被嚴格控制,郭家銘老師原本對戶外實驗帶有不安,也確實遇到了電力系統不足等問題,但團隊很快地一一解決,新型的探測器也成功挺過溫濕度的劇烈變化,在日夜溫差動輒二三十度變化、晴天午後突然雷雨的環境中持續運作,確實達到了實際應用的標準,為完善反演算法提供了充分的數據。

經過了阿姆坪的實地測試,整個研究的研發階段已經可以宣告結束,正式進入量產階段。目前團隊搭建的探測器面積是20cmx20cm,未來除了增加數量,也準備建造更大的探測器,到沙克爾頓計畫結束時預計可以做成目前四到六倍大,目標則是目前的一百倍大,讓團隊能更快地測量山體、變更地點,增加掃描山體的效率。也許再過幾年,替山和建築物照X光的技術將不再科幻,深藏在地表之下的岩層和礦脈,都將透過渺子成像術輕易地呈現在我們的眼前。

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