Muografia: imaging con muoni in ambiti interdisciplinari - 106 Congresso Nazionale SIF - 16 settembre 2020 - Lorenzo Bonechi INFN - Firenze
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106 Congresso Nazionale SIF – 16 settembre 2020 Muografia: imaging con muoni in ambiti interdisciplinari Lorenzo Bonechi INFN - Firenze
Indice della presentazione • Introduzione • Raggi cosmici e muografia • Attività in corso (FI-NA) • Progetto premiale MURAVES • Ambito vulcanologico • Progetto MIMA • Ambito archeo-minerario • Galleria Bobonica (NA) • Miniera del Temperino (LI) • Ambiti civile / protezione del territorio / dissesto idrogeologico • Argini fluviali (FI, PT) • Diga di Bilancino (FI) • Nuovi progetti • MIMA-SITES (INFN-Regione Toscana) • MU-DOME (INFN-FCRF) • BLEMAB (EU RFCS) 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 1
Introduzione Raggi cosmici Primari: incidono sull’atmosfera terrestre Raggi cosmici: radiazione carica di origine cosmica Secondari: prodotti dell’nterazione dei primari con l’atmosfera Il flusso differenziale dei primari «Sciame atmosferico» p Componenti: adronica Muoni/neutroni (hard) elettromagnetica numero di particelle rivelate energia tempo di osservazione isotropo angolo solido elemento di superficie perpendicolare alla direzione di osservazione Composizione dei primari: • 87% da protoni, • 12% da nuclei di He, • 2% da e-, e+ • 1% da altri nuclei 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 2
Introduzione Raggi cosmici REF. 1 I muoni: • Vita media: 2 s ± → ± + / + / ҧ • Massa: 105.6 MeV/c2 ( 200 me) • componente carica più abbondante al suolo PDG • Al livello del mare arrivano in media circa 100 muoni m-2s-1sr-1 in direzione verticale • Il flusso dipende principalmente dall’angolo • Radiazione altamente PDG zenitale () ed energia (E): = (,E), e si penetrante sposta verso alte energie al crescere di . • muoni con energie al TeV possono • Il flusso integrato in energia varia come cos 2 θ attraversare km di roccia 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 3
Introduzione La tecniche di indagine basate sui muoni La muografia è una tecnica di imaging che studia la variazione di flusso e la deflessione della traiettoria di muoni cosmici all’attraversamento dell’oggetto in studio (target), per realizzare delle immagini bidimensionali o tridimensionali della sua struttura interna. Radiografia muonica Tomografia muonica i rivelatori sono in Rivelatore entrambi casi dei tracciatori di muoni incidenti particelle cariche sul target muoni uscenti Vesuvio ricostruzione delle Rivelatore dal target tracce dei muoni Rivelatore Si basa sull’assorbimento dei muoni nei materiali. Si basa sulla deflessione multipla (multiple scattering) Tecnica utilizzata per volumi di grandi dimensioni. delle traiettorie nell’attraversamento di materiali. Applicazioni Figure 8: Examples principali: of muographic ambito geologico, measurement sTecnica archeologico aimed at a 3D reconst utilizzata ruct ion. per volumi (Top) AM applied relativamente piccoli.t o an overburden inside a t unnel. (Middle) AM applied tApplicazioni o a volcano conduit . (Botsicurezza principali: t om) Typical SM applicat nucleare, ion wit h industriali ingegneria civile t he t arget placed between two det ect ion layers.
Introduzione Applicazioni di tomografia muonica per scattering multiplo (MSMT) REF. 2 Sicurezza della società e protezione dei confini nazionali Decommissioning di centrali nucleari • Sono necessari due tracciatori: • Uno a monte del target per ricostruire la tracce dei muoni incidenti • Uno a valle del target per ricostruire la tracce dei muoni uscenti 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 5
Introduzione Applicazioni di radiografia muonica per trasmissione (MTR) Ambito geologico-minerario Ambito archeologico Ambito vulcanologico Ambito civile Ambito civile: gallerie È sufficiente un solo tracciatore per ricostruire la tracce dei muoni a valle del target. 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 6
Introduzione La radiografia muonica per trasmissione: metodologia • Da una misura di radiografia muonica si possono ottenere delle mappe angolari 2D di densità media dell’oggetto in studio mediante confronto con simulazioni. Configurazione target Configurazione freesky simulazione nel caso omogeneo in assenza di (misure in miniera) (misure di cielo libero) cavità a densità fissata: muoni stessa muoni • geometria del target roccia orientazione roccia a del rivelatore • flusso differenziale di muoni densità a terra REF. 3 cavità misurato dallo spettrometro magnetico ADAMO (INFN FI) rivelatore rivelatore rivelatore trasmissione simulata trasmissione di muoni misurata variando la densità: mappa angolare 2D di densità media trasmissione: frazione di muoni che giunge al rivelatore dopo aver attraversato il target 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 7
Il gruppo coinvolto nelle attività oggetto di questa presentazione L. Bonechi1;2, G. Baccani2;1, M. Bongi2;1, D. Borselli2,1, D. Brocchini3, N. Casagli4, R. Ciaranfi1, L. Cimmino5;6, V. Ciulli2;1, R. D’Alessandro2;1, C. Del Ventisette4, A. Dini7, G. Gigli4, S. Gonzi2;1, S.Guideri3, L. Lombardi4, N. Mori1;2, M. Nocentini4, P. Noli5;6, O. Starodubtsev2, V. Pazzi4, G. Saracino5;6, E. Scarlini2, P. Strolin5;6 , L. Viliani1 1 INFN Firenze 2 UNIFI, Dip. Fis. Astron. Il team di ambito fisico a Firenze I siti di misura 3 Parchi Val di Cornia (LI) 4 UNIFI, DST ADAMO 5 UNINA «Federico II», Dip. Fis. 6 INFN Napoli 7 IGG-CNR (PI) PHYSICS GEOLOGY ENGINEERING & GEOPHYSICS ARCHAEOLOGY 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 8
Il progetto MURAY (R&D INFN) MURAVES - MUon Radiography of VESuvius Scopo: realizzazione di un tracciatore e installazione di un laboratorio muografico permanente sul Vesuvio REF. 4 Requisiti necessarii: grande superficie per massimizzare la statistica + reiezione del fondo di muoni di bassa energia Pb • Progetto Premiale 2012 (finanziato nel 2015) • Tecnologia: scintillatore plastico + SiPM • Elettronica di read-out custom: chip EASIROC (OMEGA) • Alimentazione: • Sistema fotovoltaico: 5.4 kWp (18 x 300W) • Parco batterie: 32 batterie Pb (Tot= 15.7 kWh) • Struttura: 3 tracciatori di superficie 1 m2 • Risoluzione angolare: 10 mrad (0.6) • Posizionamento: • 2 rivelatori puntati verso il Vesuvio • 1 rivelatore puntato nel verso opposto (misura di riferimento a cielo libero) 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 9
Il laboratorio muografico vesuviano Tre tracciatori di muoni: Nero – Rosso – Blu Pannelli PV: 18 x 300 Wp 32 batterie Pb (15.7 kWh) 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 10
MURAVES: analisi dati preliminare MISURA PRELIMINARE: DATI • 1 rivelatore solo (NERO) • Statistica parziale di un’acquisizione di 70 giorni PRELIMINARE e (deg) # muoni SIMULAZIONE: • Software PUMAS (retropropagazione) • Accettanza rivelatore completo (4 piani) • Simulata anche la presenza del Pb x x (m-2 s-1 deg-2) e (deg) z (m) SIMULAZIONE azimut (deg) 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 11
Il tracciatore MIMA - Muon Imaging for Mining and Archaeology Scopo: tracciatore robusto, leggero, a basso consumo tracking per utilizzo in applicazioni di radiografia muonica in REF. 5 ambito multidisciplinare Requisito necessario: facilità di installazione in ambienti inospitali (ad es. miniere, siti archeologici, argini fluviali, tunnel etc.) 3 coppie XY di piani traccianti • Progetto e sviluppo: 2016 – 2017 • Tecnologia: scintillatore plastico scintillatore a sezione scheda triangolare • Read-out MURAVES ( con piccole modifiche) elettronica • Consumo totale: 30 W. • Dimensioni: 50 x 50 x 50 cm3 • Massa: 50 kg • Risoluzione angolare: 14 mrad (0.8) • Superficie d’ingresso: 0.16 m2 40 cm • Accettanza: 1000 cm2 sr • Sistema di puntamento: montatura altazimutale SiPM (Silicon Photomultiplier) approach chosen by, for example, MU-RAY [81]. (Right ) Large SiPM approach used 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 12
Il tracciatore MIMA - Muon Imaging for Mining and Archaeology 23 November 2016 Costruzione e test del primo Test in laboratorio Sistema di orientazione modulo X-Y del rivelatore MIMA altazimutale 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 13
Settore archeologico: galleria Borbonica (NA) REF. 6,7 Elevazione Azimut • 3 misure da tre diversi punti di vista con apparati Mu-Ray e MIMA dentro alla Galleria Borbonica (Napoli) • Seconda metà del 2017 • Prima misura con MIMA in configurazione completa • Misura «target»: 50 d, rate = 0.55 Hz, NT = 2.36M • Misura a «cielo libero»: Firenze, NFS = 21 M 3D - ref. 3 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 14
Settore archeo-minerario: miniera del Temperino (LI) Sito di test: miniera del Temperino • Contatti con geologo IGG-CNR Pisa • Apparato di misura: MIMA a. Verifica della metodologia • Misura di mappe 2D di densità media • Identificazione e localizzazione di cavità note • Triangolazione • Metodo di retroproiezione • Stima dello spessore delle cavità • Ricostruzione delle cavità in 3D b. Ricerca di cavità non mappate • Ricostruzione in 3D e tentativo di verifica in loco • Studio di zone caratterizzate da alta concentrazione di gas radon c. Ricostruzione della distribuzione 3D della densità • Sviluppo algoritmi ART (algebraic reconstruction techniques) • Misure multiple al di sotto del volume in studio • Inclusione delle informazioni relative alle cavità ricostruite in 3D PhD: G. Baccani, in corso • Inclusione di informazioni sulla geologia del sito fornite dai colleghi geologi 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 15
Miniera del Temperino Località: Parco Archeominerario di San Silvestro a Campiglia Marittima (LI) REF. 8 Attività estrattiva: origini etrusche, periodo medievale, chiusura definitiva intorno al 1980. Estrazione: Pb, Zn, Ag, Cu e Fe concentrati in una vena affiorante di skarn (roccia metamorfica molto dura) 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 16
Miniera del Temperino: la Gran Cava 17
Miniera del Temperino: studio della Gran Cava Cinque installazioni nella galleria turistica: le misure 1, 3, 5 sono state effettuate per lo studio della Gran Cava REF. 9 laser scanner 1 5 Mappatura ottenuta 40 m 3 con laser scanner 3D ingresso 7/12m 2 crollo N dislivello 4m 4 35m E ingresso 6-7 m ingresso In tutte le misure MIMA è stato N puntato in direzione verticale crollo N 1 5 90 m 3 Ingresso galleria 15 m Le immagini sono realizzate mediante scansione laser scanner 3D della galleria 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF La posizione 1 si trova al di sotto di un crollo della volta 18
Miniera del Temperino: mappe di densità media Misura della distribuzione di densità media Mappa angolare 2D di densità: Misura dell trasmissione di muoni Simulazione trasmissione a diverse densità 0.1 - 5.0 g/cm3 a passi di 0.1 g/cm3 [deg] E Per ogni direzione ( , ) Interpolazione lineare tra le due mappe con trasmissione più vicina a quella A misurata B [deg] 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 19
Miniera del Temperino: ricostruzione 3D del volume della gran cava REF. 10 La ricostruzione in 3D è ottenuta da una singola muografia mediante un metodo di retroproiezione delle tracce dei muoni radiografia E muonica Rappresentazione grafica: CloudCompare radiografia muonica laser scanner 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 20
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Miniera del Temperino: ricostruzione del volume di cavita non mappate La stessa procedura è stata eseguita per le cavità non mappate A e B: Collaborazione con Parchi Val di Cornia e gruppo di speleologi per tentare di accedere a questi volumi rimasti sinora sconosciuti. 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 22
Studio dello stato di conservazione di argini fluviali Submitted to Journal of Applied Geophysics REF. 11 MISURA PRESSO TORRENTE BURE (PT) • Danneggiamento causato dall’attività della fauna locale • Possibili ripercussioni sulle aree circostanti in periodi di piena dei corsi d’acqua • Ricerca di cavità all’interno dell’argine • Limiti di applicabilità: • Misura ad alto angolo zenitale • Basso flusso di muoni • Presenza di strutture sullo sfondo (montagne) • Spessori limitati (pochi metri) • Cavità relativamente piccole (poche decine di cm) 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 23
Diga di Bilancino Sezione di metà della diga Lago Corpo della diga Cunicolo Cunicolo di installazione MIMA Sono state sinora effettuate misure in due sezioni della diga orientato Canali che presentano flussi di acqua di diversa intensità nei canali a 45 monitoraggio di monitorggio (ovviamente ben entro i limiti di sicurezza!!) 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 24
Diga di Bilancino: variazione del livello dell’invaso Numero di tracce ricostruite PRELIMINARY Livello dell’acqua nell’invaso PRELIMINARY Anticorrelazione del flusso misurato di muoni con il livello di acqua nell’invaso. Si osserva un ritardo di qualche giorno nella variazione del flusso, forse dovuto ai tempi necessari per la variazione di concentrazione d’acqua nel terreno. 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 25
NUOVI PROGETTI MIMA-SITES Tema: ricerca di cunicoli in prossimità della galleria del Temperino in relazione al flusso di gas radon rilevato in alcuni punti del percorso turistico Assegno di ricerca cofinanziato da Regione Toscana (ambito culturale) Inizio progetto: settembre 2020 MU-DOME Indagine non invasiva presso la Cupola del Brunelleschi del Duomo di Firenze Ricerca di elementi di supporto strutturale in metallo all’interno della cupola Collaborazione con Opera di Santa Maria del Fiore e Fondazione CRF BLEMAB 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 26
NUOVI PROGETTI: BLEMAB BLast furnace stack density Estimation through Coinvolgimento INFN on-line Muons ABsorption measurements Responsabile: dott. L. Bonechi (Firenze) Attività principali: • Imaging muografico di altiforni in acciaierie • costruzione di 2 tracciatori muoni • Misure presso tre impianti industriali • Confronto misure muografiche con misure sonda (MIMA-like)* multipunto e modelli standard di altoforni • installazione, sviluppo software e • Sviluppo metodologia per monitoraggio on-line presa/analisi dati Call: RFCS-2019 (Research Funds for Coal and Steel) Collaborazione internazionale: • Rina Consulting (PI, Roma) • INFN (+ linked UNIFI e UNINA) • UNIPD • Arcelormittal (DE+FR) • KTH Stockholm • Acciaieria Arvedi 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 27
REFERENZE 1) P.A. Zyla et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 2020, 083C01 (2020) 2) L. Bonechi et al., Atmospheric muons as an imaging tool, Rev.Phys. 5 (2020) 100038, e-Print: 1906.03934 [physics.ins-det] 3) L. Bonechi et al., Development of the ADAMO detector: test with cosmic rays at different zenith angles, 29th International Cosmic Ray Conference, Pune (2005) 9, 283-286 4) G. Saracino et al., The MURAVES muon telescope: technology and expected performances, Ann.Geophys.Italy 60 (2017) 1, S0103 5) G. Baccani et al., The MIMA project. Design, construction and performances of a compact hodoscope for muon radiography applications in the context of Archaeology and geophysical prospections, 2018 JINST 13 P11001 6) G. Saracino et al., Imaging of underground cavities with cosmic-ray muons from observations at Mt. Echia (Naples), Sci. Rep. 7 (2017) 1181 7) L. Cimmino et al., 3D Muography for the Search of Hidden Cavities, Sci. Rep. 9 (2019) 2974 8) G. Baccani et al., Muon Radiography of Ancient Mines: The San Silvestro Archaeo-Mining Park (Campiglia Marittima, Tuscany), Universe 2019, 5, 34 5) 9) Tesi di Laurea di D. Borselli, Studio muografico della miniera del Temperino con il rivelatore MIMA: sviluppo e test di un algoritmo di identificazione e ricostruzione di cavità in tre dimensioni, Università di Firenze, A.A. 2018-2019 10) L. Bonechi et al., A projective reconstruction method of underground or hidden structures using atmospheric muon absorption data, 2015 JINST 10 P02003 11) G. Baccani et al., The Reliability of Muography Applied in the Detection 6) of the Animal Burrows within the River Levees Validated by Means of Geophysical Techniques, submitted to Journal of Applied Geophisics (10/09/2020) 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 28
GRAZIE PER L’ATTENZIONE 16/09/2020 Congresso Nazionale SIF 29
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