美國能源部橡樹嶺國家實驗室的物理學家和工程師合作開發出一種移動式μ子探測器，有望加強對乏核燃料的監測，助力解決量子計算關鍵挑戰。

μ 介子探測器首席研發員 Polad Shikhaliev 旁觀 ORNL 維格納杰出研究員 JungHyun Bae 的身影，后者正在觀察他在博士研究期間設想的 μ 介子探測器內部結構。圖片來源：Sumner Brown Gibbs/ORNL，美國能源部

μ子是一種運動速度接近光速的基本亞原子粒子，科學家可利用其像中子一樣深入物質內部且不損壞樣品。不過，μ子會在幾微秒內衰變，而中子約10分鐘內衰變，這給利用μ子理解世界帶來挑戰。

新型探測器在核材料安全和可追溯性方面邁出重要一步，支持先進核反應堆開發，有助于應對核廢料管理挑戰，也是開發管理量子比特中宇宙輻射誤差算法和方法的關鍵一步。橡樹嶺國家實驗室μ子探測器的研發，得益于多學科團隊和強大研究工具，體現了該實驗室探索科學的優勢，有助于解決國家優先事項。領導橡樹嶺國家實驗室μ子斷層掃描項目的維格納杰出研究員JungHyun Bae稱，很榮幸將愿景變為現實，感謝實驗室社區的寶貴支持，該項目體現了跨學科合作的力量與創新。2024年末，JungHyun Bae入選美國核學會“40位40歲以下杰出人物”名單。

該μ子探測器基于散裂中子源中子探測器技術，利用波長偏移光纖，能讓科學家更好理解大規模致密材料，如屏蔽特殊核材料和乏核燃料。它是實驗室中子科學與聚變與裂變能源科學理事會合作成果，研發歷時兩年多，預計將支持核燃料研究等一系列應用，今年將被轉移到ORNL園區新設施進行實際測量。資深探測器科學家、μ子探測器首席開發者波拉德·希哈利耶夫表示，協作在科學研究中至關重要，合作意愿是項目成功的關鍵。

新型探測器獨特之處在于能同時測量μ子能量和散射角，與依賴單一測量的現有μ子斷層掃描系統相比，圖像質量顯著提升，可更詳細觀察樣本，如裝有受損或危險材料的容器。同時，其特性有助于科學家了解宇宙輻射如何干擾量子比特，為改進量子比特糾錯和設計更堅固的量子比特硬件提供知識，解決量子比特脆弱性問題，推動實用量子計算機在實驗室環境外擴展和實現。

該項目始于Bae博士研究期間開發的概念，專注于復雜計算機模擬以驗證μ子層析成像應用。加入ORNL后，Bae將概念變為現實時遇挑戰，在參觀美國科學與能源博物館時，他從展出的由ORNL中子科學理事會探測器小組(由Yacouba Diawara領導)開發的中子探測器中找到所需設計。該探測器2012年入選R&D 100名單，Diawara還編輯了相關指南。Bae聯系迪亞瓦拉后，迪亞瓦拉利用團隊專業知識構建μ子斷層掃描系統。迪亞瓦拉稱，此次合作證明了橡樹嶺國家實驗室科學家和工程師齊心協力、擁有共同愿景時能取得的成就，μ子探測器設計源于十多年前專為散裂中子源建造的中子探測器，最初投資回報超預期，為探索科學領域帶來尖端技術。

ORNL擁有高通量同位素反應堆和SNS這兩個世界上最強大的中子研究源，不斷推進技術進步，確保能源安全、經濟、可靠，推動國家經濟增長和能源獨立。SNS和HFIR是美國能源部科學辦公室的用戶設施，德克薩斯大學巴特爾分校代表該辦公室管理橡樹嶺國家實驗室，該辦公室是美國物理科學基礎研究最大的單一支持者，致力于解決時代緊迫挑戰。