金字塔内部竟有“神秘空洞”？科学家是如何发现的？

你知道埃及金字塔的“神秘空洞”是如何被发现的吗？你知道外太空的高能宇宙射线是如何被探测的吗？其中很重要的一种方式，就是利用气体探测器。近日，中国原子能科学研究院核物理研究所团队实现了大面积、低功耗、高位置灵敏光刻一体化微结构探测器的自主可控。

团队自主研发多个探测器和电子学线路板样件，主要参数达国际先进水平，研究成果已应用于国内外多个大科学装置。那么，这种光刻一体化微结构探测器，究竟长什么样？听说，它能够应用于包括科学研究、辐射技术、工业和医疗等各方面，那是如何发挥作用的？

能给金字塔拍X光片？

这是什么黑科技？

提到气体探测器，中核集团中国原子能科学研究院（简称：原子能院）核物理研究所研究员李笑梅说，2017年，国际研究团队曾利用宇宙射线成像技术，在埃及胡夫金字塔内发现一个“巨大的神秘空间”，空间的具体功能如今还是一个谜。这个空间没有入口，所以按照传统的勘探技术很难发现；而通过宇宙射线成像技术就能做到，所使用的关键探测器，就是微结构气体探测器。

李笑梅：把探测器做成“望远镜”，利用天然宇宙射线来探测金字塔，因为有空洞和没有空洞的地方对宇宙射线缪子的吸收是不一样的。缪子是自然界的基本粒子之一，宇宙射线缪子是天然的射线，能量高、无须防护，具有极强的穿透能力，不同物质对它的吸收程度不同，这种不同，会反映在气体探测器产生的信号中。我们通过探测这些信号，就能够发现其中的细微差别，进而可以做出金字塔的内部成像，就相当于给金字塔拍了一个巨型X光片。给金字塔拍一个X光片？那是不是在不进行破坏勘探的情况下，秦始皇陵内部结构的完全破解，也能指日可待？什么样的技术可以做到对这么大的物体进行探测呢？李笑梅介绍，目前国内有一些研究院和大学的研究团队已经在开展宇宙射线缪子成像研究，而要实现更好的探测目标，需要研究团队共同努力，不断提高探测技术，实现高端探测器的国产化。

近日，原子能院核物理研究所团队，实现了大面积、低功耗、高位置灵敏光刻一体化微结构探测器的自主可控。这种光刻一体化微结构探测器，就属于气体探测器的一种，可在相对较低的成本下做成很大的面积，对超大物体进行探测；而且探测器可以在不打开密闭容器的情况下，对其中的微小物体进行成像。团队利用自主研制的光刻一体化微结构探测器建立了高精度可移动缪子探测系统，获得了直径0.8cm的微小物体缪子三维成像。

李笑梅：探测器是核物理研究及辐射应用中不可缺少的工具和手段，根据不同的原材料，可分为气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。光刻一体化微结构探测器是目前国际最先进的气体探测器之一，和固体、液体相比，气体很稀薄、物质量相对低，能够做到很大的面积，并且形状各异，比如可以根据不同的需要设计成球形、扇形、拱形、筒型等等，进而对各种物体进行探测。另一方面，使用物质量低的探测器，也是如今很多大科学装置的客观需要，因为每一层探测器都会影响到后面探测器的探测。

突破十余项关键技术

实现了装备自主可控

李笑梅介绍，气体探测器，不是说探测对象是气体，而是根据不同的探测对象，有针对性地选择不同的混合气体作为工作气体，密封进探测器内。它的原理，就是让射线和粒子穿过探测器，通过电离放大，在探测器中产生信号，再使用电子学读出系统对信号进行分析判断，最终对物体的位置、形状、结构、组成等得出探测结论。

李笑梅：从多丝正比室开始，气体探测器就已经进入位置灵敏时代；位置灵探测器就像一个具有很多像素的相机，通过这个具有超凡功能的相机，利用射线的穿透能力，我们能够探测到眼睛看不到的物体所在的位置和形状。我们还研制出国内首个双层丝网的光刻一体化微结构探测器，可以使探测器信号阶梯式放大，放大倍数得到显著提高。我们实现了光刻技术、蚀刻技术、电子学高速度高集成读出技术等十余项技术攻关，制作工艺采用了高精度光刻和一体化技术，具有优异的位置分辨、稳定的性能和良好的耐辐照性能等特点。

正如李笑梅所说，高位置灵敏的探测器也需要后端有强有力地读出系统做支撑。针对多通道、大数据量探测器系统的数据读出难题，团队积极开展数字化电子学系统和数据获取软件研究开发，建立了从探测器到电子学，再到数据分析的完整高精度测量系统，具备高集成、高速率、低功耗、便携化等多项突出特征。

李笑梅：我们这套电子学系统做到2048通道，实现对多通道信号的处理，这2048通道电子学有多大？只有一个硬盘盒那么大。而以前我们几百通道的电子学读出系统就要一个冰箱那么大，由此可见它集成度有多高，从而实现高集成、低功耗和方便移动，因为带个硬盘盒走和带个冰箱走那是不一样的。我们使用以太网通信，能够达到非常高的传输速率；针对未来工业界、医疗界潜在的应用价值，开发了模块化可视化读出软件系统，方便各领域应用。

给各领域“拍照”

助力我国高端探测器技术发展

据介绍，如今，微结构探测器已成为国际气体探测器研究的热点。李笑梅说，团队基于自主研发的高通量中子照相系统，刚刚实现了100兆电子伏回旋加速器中子束斑首次在线监测；此外，还参与了多个大科学实验国际合作，增强国际影响力。

李笑梅：我们刚刚自主研发的高通量中子照相系统，可以在高中子通量下工作，能够实现在线中子照相和监控。此外，我们的探测器已应用到国内外多个大科学装置上，为中科院高能所和近物所、中国散裂中子源、欧洲、美国等多个单位研制探测器及其主要元部件、电子学和测试系统等。

李笑梅说，微结构探测器不仅广泛应用于高能粒子与核探测领域，还有十分广泛的应用前景，能够推动我国科学研究、辐射技术、工业和医疗等方面发展，为我国高端探测器技术的创新发展与人才培养做出贡献。

李笑梅：它可以用于检测航天航空飞行器重要部件的内部结构、探伤探损；也可以在不打开核反应堆的前提下，检测堆芯燃料的燃耗和内部状况，在服务核电站大修、避免核事故等方面发挥作用；再比如，在癌症治疗过程中，去检测靶向药物的分布，看看是否直达病灶，所以你看它能够用于很多领域。未来，我们会和国内研究团队一起继续努力，利用大科学装置平台，发展更多的先进探测器技术，实现更多具有国际先进水平的探测器自主可控，并培养出一批优秀的青年人才。

来源：2023.5.17中国之声微信