宇宙射线缪子是由来自太空的高能宇宙射线与大气层相互作用产生的次级粒子，由Carl D. Anderson和Seth Neddermeyer在1936年的宇宙射线观测实验中发现。宇宙射线缪子为重带电粒子，其质量约为电子的207倍，半衰期为2.2微秒。宇宙射线缪子角分布与天顶角呈近似正比关系。因此，宇宙射线缪子在垂直海平面方向上的流强显著高于水平方向。到达海平面的通量约为1cm−2min−1，平均能量约为3-4GeV左右，部分高能缪子可达到TeV级别，能谱范围广，具有能域宽、穿透性强等特点，能够穿透几百米甚至上千米的岩石，同时与路径上的物质发生电磁相互作用和弱相互作用损失能量，且物质密度越大，单位距离损失的能量越大，因此，缪子透射成像技术可以用于大尺寸物体的成像。在探测过程中，低能缪子在岩石中损失全部能量导致通量减少，缪子透射成像技术利用缪子穿过物体前后的通量差和能量信息实现对待测物体的无损成像。
一、缪子成像技术
缪子成像的实际应用中，主要分为透射成像和散射成像。透射成像通过测量缪子通量衰减来反演物体的面密度分布，擅长在重背景中发现低密度空洞。散射成像则通过测量缪子的角偏转来识别高原子序数材料，擅长在轻背景中找出重元素物质。两种技术在安检、地质勘探和工业无损检测等领域互为补充。
透射成像的物理基础是缪子在穿透物质时通过电离过程不断损失能量。当物体的面密度(密度乘以厚度)足够大时，入射缪子的能量将不足以支撑其完全穿透，从而被物体吸收或阻挡。测量穿过物体后的缪子通量，并与无遮挡条件下的通量进行对比，即可得到该方向上的通量衰减率。成像的逻辑在于：通量衰减越严重的方向，对应着越高的面密度；而通量衰减较小、即幸存缪子数量相对较多的方向，则表明该路径上存在低密度区域或空洞。
散射成像的物理基础是缪子与物质原子核之间的库仑弹性散射。缪子在穿过材料时，会与沿途无数原子核的库仑电场发生相互作用，每次作用使运动方向产生一个微小的偏转。经无数次偏转的累积，缪子在出射时将呈现一个净的散射角分布。这一偏转的剧烈程度与原子核的电荷数(即原子序数Z)的平方成正比，同时也受材料厚度影响。成像的逻辑在于：散射角分布较宽､即偏转较大的区域，表明该处存在高原子序数材料；散射角分布较窄的区域，则对应低原子序数材料。
透射成像的核心敏感参数是面密度，即物质密度与路径长度的乘积。只要面密度相同，无论是由高密度薄层还是低密度厚层构成，透射成像的结果将非常接近。散射成像的核心敏感参数是原子序数Z，散射的剧烈程度与Z的平方成正比，这使其对材料种类具有极高的区分能力。
透射成像擅长在高密度背景中发现低密度异常，其典型的检出目标是空洞､裂缝､密度减小的结构缺陷，可用于地质勘探。散射成像擅长在低密度背景中发现高原子序数异常，其典型的检出目标是隐藏在普通货物中的铀､钚等核材料。
二、谬子探测装备发展现状
缪子探测器属于被动式探测器，仅记录特定位置、特定方向上自然存在的宇宙线缪子通量。目前常用的缪子探测器主要有闪烁体探测器、核乳胶探测器、气体探测器与切伦科夫探测器。 2.1散射成像
缪子散射成像已被应用到海关货物检测､反应堆堆芯检测､炼铁高炉成像和核废物容器检测等。同时，国内科研人员也进行了大量的模拟和实验研究。
清华大学团队基于MRPC搭建了应用于海关检测的缪子成像系统TUMUTY，其灵敏区域尺寸为736mm×736mm，位置分辨小于0.5mm。在实验室中利用TUMUTY验证了对目标物三维成像的可行性。该团队通过Geant4模拟研究得出：TUMUTY在可接受的测量时间内，能够在一定程度上识别毒品爆炸物和金属材料。为了实现对不同材料的自动识别分类，他们还训练出了基于模式识别的SVM分类器，为安检中高效完成毒品与爆炸物识别提供了可能。
兰州大学团队用三棱柱形塑料闪烁体研制了宇宙射线缪子成像系统LUO。该系统由多层探测器平板组成，单层平板的探测效率约为98%，位置分辨率为2.5mm。同时基于PoCA算法开发了三维缪子成像软件，成像结果与实验中铅砖的摆放形状轮廓基本一致。此外，为将该系统应用于海关货箱检测的场景，团队设计了快速报警算法，以在短时间内鉴别出目标物中的高原子序数物质。使用该系统对铅､铜､铁､铝四种金属砖块进行缪子扫描，能够在120s内快速鉴别出不同的金属砖块，且成像的准确率高达81%。
2.2透射成像
在过去的20年中，缪子成像在地球科学领域的应用逐渐增多，包括火山结构监测､矿藏勘探､冰川厚度测量､地下二氧化碳储存等。在国内，部分研究团队实施了缪子成像在地质勘探领域的应用。
北京卫星环境工程研究所团队在中国东北的五大连池火山中的老黑山进行了国内首次对火山的缪子成像研究。他们使用基于四棱柱型塑料闪烁体的缪子探测器采集了超过300万个有效的缪子事件，并结合无人机航摄的高分辨率地形数据，成功地获得了老黑山的相对密度二维图像，并对图像中密度值偏低的原因进行了详细讨论。该结果初步验证了利用缪子成像技术研究火山内部结构的可行性，在火山灾害评估和风险管理方面具有重要意义。
矿产资源是人类社会最基本的生产资料。为解决准确圈定地下矿体和采空区的难题，2023年兰州大学团队成功实施了亚洲首个基于缪子成像的矿藏勘探应用。他们使用自主研发的三棱柱形塑料闪烁体缪子成像系统CORMIS，成功重构出了早子沟金矿区中的金矿矿脉､采空区和板岩等地质结构，展示了该技术在矿产勘查中的矿脉圈定和采空区探测方面的价值，如图1所示。
兰州大学团队在文物保护和发掘两个方面分别开展了实验和模拟性研究。为寻找西安城墙中的隐藏病害，2021年，兰州大学团队成功实现了国内首次缪子成像在文物保护中的现场应用。他们使用CORMIS成像系统，在西安城墙58号马面旁六个测量点上采集了缪子数据(图2)，重构出了马面中的密度异常体。其中，马面上方的异常体与配电室的位置和尺寸一致，旁证了成像结果的可靠性；马面北侧的异常体可能是墙砖与夯土之间的脱空结构，为马面的维护和修缮提供了重要的数据支撑。该实验的成功也标志着缪子成像技术在国内实施三维成像迈出关键一步。
2023年3月，兰州大学核科学与技术学院与中国原子能科学研究院联合完成国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项，形成第一代缪子成像系统(Muon Tomography System-Gen1)。
并在神木市鑫轮矿业有限公司进行了现场测试，用于探测煤矿矿区的地下空洞/采空区探测，以及覆盖层密度反演。该设备采用了塑料闪烁体探测器阵列，利用宇宙射线中的缪子(muon)穿透地层时的角度散射和吸收原理，对地下密度异常区进行三维成像。
测试成功获取了地下数十米至百米深度范围内的高分辨率密度分布图。验证了国产阵列在矿井高湿度､多粉尘､强震动环境下的可靠性。初步实现了对采空区边界与潜在塌陷区的精准定位。填补了国内矿业领域缪子成像技术无源高精度探测的空白。
因第一代设备主要基于塑料闪烁体，数据处理(反演算法)的速度和空间分辨率仍有提升空间。目前，该团队已启动第二代设备的迭代，重点集成SiPM(硅光电倍增管)模块以降低体积，计划增加γ-中子联合探测功能，以实现多模态成像。
三、缪子成像技术与装备发展趋势
天然缪子成像技术可以应用矿藏勘探、结构监测等多个领域，将为绿色核技术在各个行业的推广应用起到重要的典范作用。然而，作为一种新型的技术，缪子成像在真正实现产业化方面还面临着诸多挑战。
3.1系统硬件方面
(1)为满足在复杂环境中进行长时间探测的需求，需要加强探测器在不同场景中的适应能力，例如探测器应具备便携性和坚固性，易于现场安装调试，能够部署在不同地形条件中；尽可能降低系统能耗；具备稳定､可靠的数据采集能力；能够实现远程监控和数据传输等。
(2)成本是产业化中的重要因素，为有效降低探测器的建造和维护成本，在探测器的设计中可以在两个方面进行提升。
①寻找性价比高的灵敏材料，确保大面积和高效率的情况下保持低成本。目前国际上普遍采用的塑料闪烁体就是一种性价比很好的方案。另外，一些其他方案也可以作为参考，例如，清华大学团队在锦屏中微子实验中，利用直径1.3m，重达1t的液体闪烁体，实现地下2.4km处的缪子探测。这种液体闪烁体成本低，或许可以作为大面积探测器的灵敏材料。
②复杂的电子学设计(例如大量电子学通道数)会大幅提高系统的制造和维护成本，尽可能降低探测器电子学系统的复杂性。
(3)在某些应用场景中，需要将探测器布置在井眼､钻孔等狭小空间内。为此，小型化也是探测器系统研发的一个重要方向。例如，兰州大学团队研究了一种量能器式的小型井眼缪子探测器。相比于常规的平板和井眼型探测器，其结构简单，具有较少的电子学通道和更小的直径。
3.2软件平台和算法方面
(1)缪子成像技术的用户多数为非涉核专业人士，不可避免地在技术实施过程中面临较高的专业门槛，例如粒子输运仿真模拟､缪子数据分析､反演计算等。目前国内外皆尚未出现满足这些需求的综合分析平台。因此，研发流程化､多场景通用的､涵盖正反演和数据处理的多功能缪子三维成像分析平台是非常必要的，以降低使用门槛，提高现场应用效率。
(2)宇宙射线缪子的通量有限，这意味着在给定测量时长内，能够采集到的缪子数据有限，统计误差较大。如果能在有限时间内准确识别目标物中的异常物质､提高成像品质，则很有可能突破利用缪子进行实时､动态成像的技术瓶颈，大幅拓宽缪子技术的应用领域范围。
3.3现场实施方面
(1)现场实测方案的设计需要考虑多方面因素的影响，例如现场环境条件､探测和成像精度､测量时长､可能存在异常体的位置等。然而，国内外尚没有公开发表的综合考虑这些因素的可行性分析方法研究，也缺乏一套最优化实测方案的方法流程。在可行性分析方法和最优化实测方案两方面进行深入地研究，有助于更有效地进行现场应用准备，更全面､深入地了解缪子技术的可应用范围。
(2)目前国内仅有少部分团队完成了探测器在海关检测领域的实验室概念验证和在火山成像､隧道检测､矿藏勘探和文物保护领域的现场应用，在很多潜在应用领域中尚未进行现场实施，应用经验亟待积累。
(3)在技术调研过程中，发现公开材料对缪子成像技术的介绍和应用还不丰富，大多数的信息来源于研究论文，故该技术在应用条件和应用场景方面仍需加大推广，形成广泛认识，才有机会让这项技术更全面的发展和应用。