美国能源部橡树岭国家实验室的物理学家和工程师合作开发出一种移动式μ子探测器，有望加强对乏核燃料的监测，助力解决量子计算关键挑战。
μ 介子探测器首席研发员 Polad Shikhaliev 旁观 ORNL 维格纳杰出研究员 JungHyun Bae 的身影，后者正在观察他在博士研究期间设想的 μ 介子探测器内部结构。图片来源：Sumner Brown Gibbs/ORNL，美国能源部
μ子是一种运动速度接近光速的基本亚原子粒子，科学家可利用其像中子一样深入物质内部且不损坏样品。不过，μ子会在几微秒内衰变，而中子约10分钟内衰变，这给利用μ子理解世界带来挑战。
新型探测器在核材料安全和可追溯性方面迈出重要一步，支持先进核反应堆开发，有助于应对核废料管理挑战，也是开发管理量子比特中宇宙辐射误差算法和方法的关键一步。橡树岭国家实验室μ子探测器的研发，得益于多学科团队和强大研究工具，体现了该实验室探索科学的优势，有助于解决国家优先事项。领导橡树岭国家实验室μ子断层扫描项目的维格纳杰出研究员JungHyun Bae称，很荣幸将愿景变为现实，感谢实验室社区的宝贵支持，该项目体现了跨学科合作的力量与创新。2024年末，JungHyun Bae入选美国核学会“40位40岁以下杰出人物”名单。
该μ子探测器基于散裂中子源中子探测器技术，利用波长偏移光纤，能让科学家更好理解大规模致密材料，如屏蔽特殊核材料和乏核燃料。它是实验室中子科学与聚变与裂变能源科学理事会合作成果，研发历时两年多，预计将支持核燃料研究等一系列应用，今年将被转移到ORNL园区新设施进行实际测量。资深探测器科学家、μ子探测器首席开发者波拉德·希哈利耶夫表示，协作在科学研究中至关重要，合作意愿是项目成功的关键。
新型探测器独特之处在于能同时测量μ子能量和散射角，与依赖单一测量的现有μ子断层扫描系统相比，图像质量显著提升，可更详细观察样本，如装有受损或危险材料的容器。同时，其特性有助于科学家了解宇宙辐射如何干扰量子比特，为改进量子比特纠错和设计更坚固的量子比特硬件提供知识，解决量子比特脆弱性问题，推动实用量子计算机在实验室环境外扩展和实现。
该项目始于Bae博士研究期间开发的概念，专注于复杂计算机模拟以验证μ子层析成像应用。加入ORNL后，Bae将概念变为现实时遇挑战，在参观美国科学与能源博物馆时，他从展出的由ORNL中子科学理事会探测器小组(由Yacouba Diawara领导)开发的中子探测器中找到所需设计。该探测器2012年入选R&D 100名单，Diawara还编辑了相关指南。Bae联系迪亚瓦拉后，迪亚瓦拉利用团队专业知识构建μ子断层扫描系统。迪亚瓦拉称，此次合作证明了橡树岭国家实验室科学家和工程师齐心协力、拥有共同愿景时能取得的成就，μ子探测器设计源于十多年前专为散裂中子源建造的中子探测器，最初投资回报超预期，为探索科学领域带来尖端技术。
ORNL拥有高通量同位素反应堆和SNS这两个世界上最强大的中子研究源，不断推进技术进步，确保能源安全、经济、可靠，推动国家经济增长和能源独立。SNS和HFIR是美国能源部科学办公室的用户设施，德克萨斯大学巴特尔分校代表该办公室管理橡树岭国家实验室，该办公室是美国物理科学基础研究最大的单一支持者，致力于解决时代紧迫挑战。
