da

Forsøgsudførsel

Forberedelse

For at gennemføre eksperimentet under så ideelle forhold som muligt i Danmark, er det en fordel, at området er tørt (hvilket giver større densitetsforskelle). Jordens vandindhold påvirker den effektive massetæthed, og perioder med kraftig nedbør eller markante ændringer i jordfugtighed bør derfor så vidt muligt undgås eller registreres som en del af forsøgets miljødata.

Forsøgsprotokol

Forsøgene udføres efter en ensartet grundprotokol, som tilpasses den enkelte lokalitets geometri og arkæologiske problemstilling. Hver målekampagne opdeles i en forundersøgelse, en reference- og kalibreringsfase, selve myonmålingen samt en efterfølgende rekonstruktions- og valideringsfase. Alle afvigelser fra grundprotokollen dokumenteres i feltjournalen, så resultater fra forskellige danske lokaliteter senere kan sammenlignes på et fælles metodisk grundlag.

Valg forsøgsområde

Forsøgsområdet udvælges i samarbejde med den ansvarlige arkæologiske institution, kommunalbestyrelsen og lodsejere. Projektet er ikke knyttet til én bestemt lokalitet, men er tænkt som en fleksibel forsøgsmetode, der kan afprøves ved forskellige danske udgravninger og fredede fortidsminder. Den enkelte målekampagne kan enten udføres som et valideringsforsøg på et område, hvor en kendt eller delvist kendt struktur giver mulighed for direkte sammenligning, eller som en eksplorativ undersøgelse af et ukendt interesseområde. Herved kan projektet både dokumentere metodens målenøjagtighed under kontrollerbare forhold og undersøge dens praktiske anvendelighed som reel arkæologisk forundersøgelsesmetode.

Inden detektorinstallationen etableres et lokalt koordinatsystem. Terræn, overfladegeometri og relevante arkæologiske afgrænsninger dokumenteres med eksisterende opmåling, totalstation/GNSS og - hvor det er muligt - fotogrammetri eller en eksisterende terrænmodel. Denne geometri indgår senere som randbetingelse i computersimulationen, da den forventede myontransmission afhænger af den præcise materialetykkelse i hver synsretning.

Før feltarbejdet opstilles en forventningsmodel for lokaliteten. På baggrund af terrængeometri, kendte jordlag og den arkæologiske problemstilling defineres et tredimensionelt interessevolumen samt en forventet referencejord. Hvis forsøget er et valideringsforsøg, fastlægges den del af den kendte struktur, som skal forsøges genfundet, inden myografidata analyseres. Hvis forsøget er eksplorativt, fastlægges tilsvarende på forhånd, hvilke kriterier der skal være opfyldt, før en afvigelse betegnes som en mulig densitetsanomali.

Det kræver målinger fra mindst 3 forskellige detektorpostioner, for at genskabe en tredimensionel densitetsfordeling med brugbar geometrisk entydighed. Projektets udgangspunkt er derfor 3-4 målepositioner, men antallet kan udvides, hvis lokaliteten eller de første målinger viser, at interesseområdet ikke dækkes tilstrækkeligt.

Detektorplacering

Detektorpositionerne udvælges, så de tilsammen dækker interesseområdet fra flere retninger og giver størst mulig krydsende vinkel mellem synslinjerne. For hver position registreres detektorens centrum, højde/dybde, azimut, hældning og afstand til den arkæologiske struktur. Den samme geometriske reference anvendes i alle efterfølgende simulationer og 3D-rekonstruktioner.

Inden den endelige opstilling gennemføres en geometrisk forward-simulation af de mulige detektorpositioner. Formålet er at identificere de positioner, der giver størst dækning af interessevolumen, kortest relevant materialelængde og bedst mulig vinkelmæssig krydsning mellem de enkelte målinger. Positioner med meget lav forventet myonfluks eller utilstrækkeligt overlap fravælges, før feltarbejdet påbegyndes. På den måde bruges måletiden primært på de geometrier, der forventes at have størst informationsværdi.

Ved gravhøje og andre forhøjede strukturer kan detektoren som udgangspunkt placeres ved terræn eller i eksisterende lavninger og orienteres mod højens centrale volumen. PowerPoint-materialets Kofun-eksempel illustrerer, hvordan flere eksterne målepositioner kan kombineres med en 3D-overflademodel, mens eksemplet fra Xi'an viser, at et større antal positioner kan anvendes, når geometrien er mere kompleks.

Det kan være nødvendigt at nedgrave detektorerne strategisk i dybe huller tæt på det arkæologiske objekt. Detektorerne skal placeres dybere end interesseområdet for at kunne "kigge op" på eller igennem strukturen. Dette er især relevant ved fladeudgravninger eller strukturer, hvor den nødvendige materialetykkelse ellers ikke kan observeres i en gunstig vinkel fra terræn.

Dette er det eneste destruktive element ("semi-noninvasiv"), men i Danmark vil huldimensionerne sjældent overstige det, der er nødvendigt for selve detektoren, dens beskyttelseskasse og sikker adgang. Den endelige huldiameter og -dybde fastlægges først, når det konkrete detektorsystem og den specifikke lokalitet er valgt, og udføres udelukkende inden for de arkæologiske og myndighedsmæssige tilladelser.

Praktisk installation

Inden nedgravning eller placering markeres alle positioner i koordinatsystemet, og området fotodokumenteres. Detektoren placeres på et stabilt, plant underlag og beskyttes mod vand, jordtryk og utilsigtede bevægelser. Efter endelig orientering måles azimut og hældning igen, så selv små ændringer under installationen kan indgå i den geometriske usikkerhed. Ved afslutning retableres området efter anvisninger fra den arkæologisk ansvarlige.

For hver opstilling udfyldes et standardiseret positionsark med positions-ID, koordinater, kote, detektorstørrelse, aktivt areal, azimut, hældning, installationsform, strømforsyning, gasopsætning, starttidspunkt og fotografisk dokumentation. Detektorens orientering kontrolleres igen umiddelbart før dataindsamlingen og efter afsluttet eksponering. Hvis orienteringen har ændret sig målbart under forsøget, markeres den berørte måleperiode særskilt i datasættet.

Det bør dog understreges, at detektorerne også kan anvendes fuldstændigt non-invasivt ved arkæologiske undersøgelser af historiske forhøjninger (gravhøje, jættestuer el.lign.). I sådanne tilfælde er en central del af forsøgsdesignet at optimere afstand og hældningsvinkel, så detektorens synsfelt gennemskærer mest muligt af den relevante volumen uden fysisk indgreb i fortidsmindet.

Kalibrering og referencemåling

Inden de egentlige målinger gennemføres en referenceoptagelse med fri himmel (open-sky), hvor detektoren registrerer den lokale myonfluks uden større strukturer i synsfeltet. Denne reference bruges til at bestemme detektorens vinkelafhængige acceptans og til at normalisere de efterfølgende transmissionsmålinger. En tilsvarende kontrolmåling udføres efter feltkampagnen, så eventuel instrumentdrift kan identificeres.

Referenceoptagelsen udføres så vidt muligt med samme detektorkonfiguration, gasindstillinger og elektroniske parametre som ved feltmålingen. Referencedata gemmes som et selvstændigt datasæt og knyttes til den pågældende målekampagne. Hvis en kampagne strækker sig over længere tid eller omfatter markant forskellige detektororienteringer, kan supplerende open-sky-målinger gennemføres mellem positionerne.

Dataindsamling

Observationerne udføres med gasholdige ioniseringsdetektorer (MWPC; Multi-Wire Proportional Chambers). Disse avancerede detektorer registrerer og måler banerne af ladede partikler ved at forstærke ionisationssignaler i et gasfyldt kammer. Detektorerne kan anvende argon (Ar) eller en argon-isobutan-blanding (Ar/C₄H₁₀), hvor sidstnævnte kan forbedre stabilitet og detektorydelse. Flere detektorplaner gør det muligt at rekonstruere hver accepteret myons retning som et sæt vinkelkoordinater, der efterfølgende kan projiceres gennem interesseområdet.

Detektorsystemet fra Muotech kan opstilles både på overfladen og under jorden. De tilgængelige detektorstørrelser er 100×100 cm, 80×80 cm, 50×50 cm og 40×40 cm, og den størst praktisk anvendelige detektor foretrækkes som udgangspunkt, da et større aktivt areal giver bedre myonstatistik. Hver detektorenhed vejer ca. 10 kg. Ved overflademålinger kan ekstra absorptionslag, eksempelvis blyplader, være nødvendige for at reducere baggrundsflux, mens underjordiske installationer generelt har mindre baggrundsinterferens, men er mere begrænsede af detektorens fysiske dimensioner.

Strømforbruget er ca. 5-10 W afhængigt af det aktive detektorareal (ca. 0,5-0,8 m²). Direkte strømforsyning ved lokaliteten foretrækkes, men hvor dette ikke er muligt, kan systemet drives med tre litiumbatterier. Data kan overføres og overvåges via WiFi og Raspberry Pi og downloades direkte til computer eller smartphone. Datamængden er mindre end ca. 100 MB pr. måned, hvilket muliggør løbende fjernovervågning uden hyppig fysisk adgang til lokaliteten. Gasflasker til MWPC-systemet bør så vidt muligt fremskaffes lokalt af hensyn til tilgængelighed og gældende sikkerhedsregler.

Efter opstilling startes en kort teknisk kontrolperiode, hvor trigger-rate, kanalstatus, tidsstempling og den rekonstruerede vinkelfordeling kontrolleres. Først når signalerne er stabile, påbegyndes den egentlige eksponering. Hver måleposition registreres som et selvstændigt datasæt med entydigt positions-ID, start- og sluttid, instrumentorientering og miljønoter.

Når kontrolperioden er godkendt, låses den pågældende forsøgsopsætning metodisk: detektorens placering og orientering ændres ikke under den enkelte eksponering, medmindre en teknisk fejl kræver indgreb. Alle afbrydelser, batteriskift, gasjusteringer, genstarter og fysiske indgreb registreres med tidspunkt og årsag. Derved kan de berørte tidsintervaller identificeres under den efterfølgende datarensning.

Målingerne opdeles i tidsblokke, så data kan kvalitetstjekkes løbende. Dette gør det muligt at opdage tab af strøm, kommunikationsfejl, ændret orientering eller unormale trigger-rater tidligt i kampagnen. Hvis en position viser utilstrækkelig statistisk dækning af interesseområdet, forlænges eksponeringen eller positionen suppleres med en ekstra vinkel.

Dataindsamlingen kræver tålmodighed. For at opnå en detaljeret analyse kræves typisk omkring 1 million observerede myoner fra 3-4 forskellige positioner. Dette betyder, at udstyret ofte skal måle over en længere periode (ca. en måned) for at sikre nøjagtighed. Den endelige måletid fastsættes dog ud fra den faktiske registreringsrate og den statistiske usikkerhed i de vinkelområder, der gennemskærer interesseområdet, snarere end alene ud fra et på forhånd fastsat antal dage.

Desto længere tid observationerne udføres, desto mere nøjagtigt/detaljeret bliver det resulterende transmissionskort, fordi den statistiske Poisson-usikkerhed reduceres med stigende antal registrerede myoner. Der vil dog være et punkt, hvor yderligere måletid kun giver en begrænset forbedring i forhold til projektets ønskede rumlige opløsning.

Stopkriterium for en måleposition

En måleposition afsluttes ikke alene efter et bestemt antal kalenderdage. Eksponeringen fortsættes, indtil de vinkelintervaller, der gennemskærer det definerede interessevolumen, har opnået den på forhånd valgte statistiske kvalitet, eller indtil en praktisk maksimal måletid nås. Det konkrete stopkriterium fastlægges i pilotfasen på baggrund af detektorens faktiske event-rate og den forventede transmissionskontrast. Herved kan protokollen anvendes på lokaliteter med meget forskellig geometri uden at antage, at samme måletid er optimal overalt.

Kvalitetskontrol under dataindsamlingen

For hver position kontrolleres mindst: samlet event-rate, event-rate som funktion af tid, andel af rekonstruerbare spor, vinkelhistogrammer samt eventuelle døde eller støjende kanaler. Temperatur, lufttryk og nedbør registreres, når det er praktisk muligt, fordi den atmosfæriske myonproduktion og jordens vandindhold kan variere over længere måleperioder. Store afvigelser markeres i datasættet og indgår i den efterfølgende usikkerhedsvurdering.

Efter hver måleposition udføres et kort positionsreview, før detektoren flyttes. Her vurderes datakomplethed, stabilitet, vinkelmæssig dækning og overlap med de øvrige positioner. Hvis data ikke opfylder de fastlagte kvalitetskriterier, gentages eller forlænges målingen, mens forsøgsopstillingen stadig kan reproduceres. Først derefter frigives positionen og detektoren flyttes til næste målepunkt.

Databehandling

Efter partikelobservationerne skal myonbanerne eftersimuleres og sammenholdes med den kendte forsøgsgeometri. Databehandlingen udføres trinvist, så det er muligt at følge transformationen fra rådetektorhits til et endeligt 2D-transmissionskort og en 3D-densitetsmodel.

Forbehandling og sporrekonstruktion

Rådata renses for ufuldstændige events, elektronisk støj og spor, der ikke opfylder detektorens fastlagte kvalitetskriterier. For hvert accepteret event rekonstrueres en retning gennem detektorplanerne. Retningerne sorteres herefter i vinkelintervaller (pixels/bins), således at antallet af myoner fra forskellige dele af himlen kan sammenlignes.

Databehandlingen udføres så vidt muligt blindet i valideringsforsøg: den person eller del af projektgruppen, der foretager den første anomalisøgning, bør ikke have adgang til den præcise facitgeometri ud over de oplysninger, der er nødvendige for forsøgsopsætningen. Først efter at transmissionskort og eventuelle anomalier er fastlagt, sammenholdes de med den kendte arkæologiske struktur. Dette reducerer risikoen for, at fortolkningen ubevidst tilpasses det forventede resultat.

Normalisering ift. referencefluks

For hvert vinkelinterval beregnes forholdet mellem den målte fluks gennem den arkæologiske struktur og den tilsvarende open-sky-reference. Resultatet er et transmissionskort. Områder med relativt høj transmission indikerer mindre integreret massetæthed langs synslinjen, mens lav transmission indikerer større materialemængde eller højere gennemsnitlig densitet.

Geometrisk modellering og forward-simulation

Terrænmodellen og den registrerede detektorposition omsættes til en tredimensionel geometrisk model. For hver måleretning beregnes den forventede materialetykkelse og myontransmission for en referencejord med antaget densitet. Simulationen kan udføres i leverandørens software eller i en dedikeret partikeltransportmodel; den konkrete software fastlægges sammen med det valgte detektorsystem.

Identifikation af densitetsanomalier

Den målte transmission sammenlignes med en simuleret reference. Systematiske overskud eller underskud af myoner peger på retninger, hvor den faktiske integrerede densitet afviger fra modellen. På den måde opnås først et todimensionelt billede af tæthed eller transmission fra hver enkelt detektorposition.

En potentiel anomali registreres i første omgang som et måleresultat og ikke som en arkæologisk struktur. For hver kandidat beskrives dens retning set fra de enkelte detektorpositioner, dens statistiske styrke, den geometriske sammenhæng mellem positionerne samt dens følsomhed over for ændringer i referencejordens densitet og terrænmodellen. Først herefter foretages den arkæologiske fortolkning.

Tomografisk rekonstruktion

Når flere detektorpositioner dækker det samme volumen, samles de uafhængige synslinjer i én samlet 3D-rekonstruktion. Interesseområdet opdeles i volumenelementer (voxels), og en iterativ inversionsproces justerer voxelernes relative densitet, indtil den beregnede transmission passer bedst muligt til de observerede data fra alle positioner. Resultatet er en detaljeret 3D-densitetsmodel, som kan visualiseres som snit, isoflader eller volumengengivelser.

Databehandlingen skal derfor både kunne genskabe de direkte målinger og kvantificere forskellen mellem observation og model, så rådata omsættes til en arkæologisk fortolkningsbar densitetsfordeling.

Empiri og validering

Den primære empiri består af de registrerede myonspor, de afledte transmissionskort og den rekonstruerede 3D-densitetsmodel. Resultaterne skal i første omgang kunne gengive både position, geometri og relativ fylde/densitet af identificerede anomalier. Hvor det er muligt, sammenholdes disse resultater med eksisterende arkæologiske registreringer, geofysiske undersøgelser, kendte konstruktioner eller efterfølgende udgravningsdata.

Valideringsprocedure

Ved valideringsforsøg sammenholdes den rekonstruerede anomalis centrum, rumlige udstrækning og relative densitetskontrast med den uafhængigt dokumenterede struktur. Afvigelsen mellem myografisk rekonstruktion og reference angives så vidt muligt i meter og/eller som relativ forskel. Ved eksplorative undersøgelser arkiveres den myografiske forudsigelse før en eventuel efterfølgende udgravning eller anden kontrolundersøgelse, således at efterprøvningen kan ske uden efterfølgende tilpasning af det oprindelige resultat.

Måleusikkerheder

Usikkerheden opdeles i fire hovedbidrag:

  • Tællestatistik for antallet af myoner i hvert vinkelinterval
  • Detektorens vinkelopløsning og kalibrering
  • Usikkerhed på position/orientering og terrænmodel
  • Modelusikkerhed i materialernes antagne densitet og vandindhold

Ved præsentation af en anomali angives derfor ikke kun dens beregnede position, men også den rumlige og statistiske sikkerhed, hvormed den kan afgrænses.

Reproducerbarhed og dataarkivering

For hver kampagne opbevares rådata, rensede data, open-sky-reference, positionsfiler, terrænmodel, feltjournal, kalibreringsoplysninger, anvendte analyseparametre og de endelige rekonstruktioner som adskilte versioner. Analysearbejdsgangen dokumenteres, så en rekonstruktion kan gentages fra rådata. På tværs af flere danske lokaliteter anvendes samme filstruktur, positionsbetegnelser og minimumskrav til metadata, så metodens præstation kan sammenlignes mellem forskellige jordbundstyper, geometrier og arkæologiske problemstillinger.

Forsøgets succeskriterier

Forsøget betragtes som et teknisk proof-of-concept, hvis det kan gennemføres stabilt under danske feltforhold og producere reproducerbare transmissionskort fra flere positioner. Ved valideringsforsøg betragtes metoden som arkæologisk valideret, hvis en eller flere rekonstruerede densitetsanomalier kan knyttes til en uafhængigt kendt struktur. Ved eksplorative forsøg på ukendte lokaliteter vurderes resultatet ud fra, om der fremkommer statistisk robuste og geometrisk sammenhængende anomalier, som efterfølgende kan efterprøves gennem arkæologisk udgravning, anden geofysik eller senere dokumentation. På tværs af flere lokaliteter er det overordnede succeskriterium, at metoden kan demonstrere en rumlig opløsning, stabilitet og følsomhed, der er relevant for praktiske arkæologiske forundersøgelser.