В мире существует более 200 подводных туннелей для автомобильного движения, которые обеспечивают связь между городами. Однако после строительства туннели становится сложно контролировать и обслуживать, что часто приводит к их закрытию или использованию методов, которые создают структурные риски.
Муография — метод визуализации с использованием высокоэнергетических частиц, называемых мюонами, которые могут преодолевать сотни метров в толще земли, — может стать неинвазивным способом исследования подземной инфраструктуры. В журнале Journal of Applied Physics группа исследователей из Шанхая применила этот метод к Шанхайскому внешнему кольцевому тоннелю, который проходит под рекой Хуанпу и является частью городской кольцевой скоростной автомагистрали, сообщается на сайте EurekAlert!.
Поскольку отложения, состоящие из илистой почвы и глинистого ила, имеют более высокую плотность, чем окружающая туннель вода, они более эффективно снижают поток мюонов, чем вода сама по себе. Портативная система обнаружения потока мюонов, разработанная исследователями, чувствительна к этим различиям и может использоваться для определения мест с высоким уровнем отложений.
«Мюоны теряют энергию в основном за счёт ионизации, когда они вступают в электромагнитное взаимодействие с электронами в атомах и выбивают их. Чем плотнее материал, тем больше энергии теряется и тем больше мюонов блокируется, — говорит автор исследования Ким Сианг Кхоу. — Зернистый или глинистый состав осадочных пород усиливает этот эффект».
Используя комбинацию пространственного сканирования по всей длине туннеля и моделирования прохождения мюонов через упрощённую модель туннеля, исследователи составили карту толщины отложений. В качестве доказательства эффективности своего метода они собрали данные за 10 минут в 50 точках с интервалом в 50 метров, но при использовании они планируют установить несколько детекторов в фиксированных точках по всему туннелю, что позволит вести круглосуточный мониторинг.
Ученые отмечают, что другие города могут легко внедрить эту технологию в свою инфраструктуру. Всё, что для этого нужно, — базовая информация о геометрии и материалах туннеля, данные об окружающей среде и базовые измерения потока мюонов.
«Предварительно не требуется создавать сложные модели — метод работает с упрощёнными входными данными, которые были проверены с помощью моделирования, — сказал Хау. — Этот способ также позволяет выявлять опасные подземные полости, например те, которые образуются, когда из-за прорыва трубы размывается грунт, создавая угрозу обрушения».
Муография используется в археологических исследованиях, при разведке месторождений и т. д., но отслеживание изменений в системе с течением времени — относительно новое применение. «Сейчас мы переживаем поистине захватывающий период в истории муографии, — сказал Хау. — Мы надеемся на сотрудничество с другими исследователями, чтобы применить достижения фундаментальной науки для решения насущных проблем».
