Мюоны помогут следить за наносами в подводных тоннелях

Тоннель Внешнего кольца Шанхая проходит под рекой Хуанпу, с участками, покрытыми илистой почвой и илистой глиной (вверху). Исследователи разместили портативный детектор мюонов внутри тоннеля для мониторинга потока мюонов с целью измерения накопления осадка (внизу). Автор: Khaw et al.

Во всём мире существует более 200 подводных автомобильных тоннелей, обеспечивающих связь между городами. Однако после постройки эти тоннели сложно контролировать и обслуживать, часто требуя закрытия или применения инвазивных методов, несущих структурные риски.

Мюография — метод визуализации с использованием высокоэнергетических частиц, называемых мюонами, которые могут проходить сотни метров внутри Земли — может предложить неинвазивный подход к обследованию подземной инфраструктуры.

В Journal of Applied Physics группа исследователей из государственных и частных организаций Шанхая применила эту методику к тоннелю Внешнего кольца Шанхая, который проходит под рекой Хуанпу и является частью кольцевой автомагистрали города.

Поскольку осадок, состоящий из илистой почвы и илистой глины, имеет более высокую плотность, чем окружающая тоннель вода, он эффективнее снижает поток мюонов, чем вода сама по себе. Размещённая внутри тоннеля портативная система детектирования потока мюонов чувствительна к этим различиям, что полезно для выявления мест с высоким уровнем накопления осадка.

«Мюоны теряют энергию в основном за счёт ионизации, где они электромагнитно взаимодействуют с атомами и выбивают из них электроны — более плотные материалы приводят к большей потере энергии, эффективно блокируя больше мюонов», — сказал автор Ким Сианг Кхау. «Зернистый или глинистый состав осадка усиливает этот эффект».

Используя комбинацию пространственного сканирования по длине тоннеля и моделирования прохождения мюонов через упрощённую модель тоннеля, исследователи составили карту толщины осадка. Они собирали данные по 10 минут на каждой локации с интервалами в 50 метров в качестве доказательства концепции, но в реальном развёртывании планируют постоянно установить несколько детекторов в фиксированных точках по всему тоннелю, что позволит вести круглосуточный мониторинг.

Они намерены расширить свои исследования на несколько других тоннелей в Шанхае и отмечают, что другие города могут легко внедрить эту методику в свою инфраструктуру. Всё, что требуется, — это базовая информация о геометрии и материалах тоннеля, данные об окружающей среде и базовые измерения потока мюонов.

«Заранее не нужны сложные модели — метод работает с упрощёнными входными данными, валидированными через моделирование в этом исследовании», — сказал Кхау. «Эта техника также может идентифицировать опасные подземные полости, такие как те, что образуются, когда лопнувшая труба вымывает почву, создавая скрытую угрозу обрушения».

Мюография использовалась для археологических исследований, разведки месторождений и многого другого, но отслеживание изменений системы во времени — это относительно новое практическое применение.

«Сейчас мы находимся в поистине захватывающей эре для мюографии», — сказал Кхау. «Мы надеемся сотрудничать с большим количеством исследователей, чтобы применять эти достижения фундаментальной науки для решения насущных общественных проблем».

Больше информации: Toward noninvasive sediment monitoring using muography: A pilot run at the Shanghai Outer Ring Tunnel, Journal of Applied Physics (2025). DOI: 10.1063/5.0273686

Источник: American Institute of Physics

ИИ: Интересно, насколько эта технология может быть полезна для мониторинга инфраструктуры в России, особенно с учётом сложных климатических условий и наличия множества подводных переходов.