宇宙射线μ子成像探测器研究现状与展望

宇宙射线μ子成像技术是一种新型无损探测方法,具有无需放射源、穿透性强的优点,可用于关键核设施、核材料的探测核查。本文调研了国内外宇宙射线μ子成像技术的研究现状,从透射成像与散射成像两种方式分析了μ子成像技术的基本原理和特点,重点梳理了国内外μ子成像探测器的发展现状,总结了核乳胶探测器、气体探测器、塑料闪烁体探测器等3类μ子探测器的成像原理、系统参数、工作特性、典型应用及优缺点,并对宇宙射线μ子成像探测器的未来发展进行了展望,为μ子探测器的进一步研究提供参考。

用于宇宙射线μ子成像的MLS-EM重建算法加速研究

宇宙射线μ子检测技术具有穿透力强、对高Z材料敏感等特点,特别适合检测特殊核材料,是监控核材料走私的有效方式。图像重建问题是实现该技术的一个关键难点,MLS-EM算法是目前成像质量较好的算法,但其过长的运算时间制约了该算法在实际μ子检测系统中的应用。根据μ子检测系统的特点,本文提出了一种加速方法,在使用POCA重建图像作为迭代初值基础上进一步采用OS方法进行EM加速。模拟实验结果表明该方法能够有效地对MLS-EM重建算法进行加速,这对于宇宙射线μ子成像技术早日投入实际应用具有积极的意义。

宇宙射线μ子探测裂变核材料的模拟研究

平均能量为3-4 GeV的宇宙射线μ子在海平面的通量约为1/（cm2.min）,这些μ子有很强的穿透力,能够穿透目前常用的防护层。μ子与物质作用主要发生小角度库伦散射,散射角与物质的原子序数有关。利用μ子穿过不同物质时所产生的散射角不同来辐射成像,研究μ子的累计通量条件下,辨别低、中、高Z三类物质的可行性。

宇宙射线μ子探测高Z材料的仿真研究

利用Geant4建立宇宙射线μ子探测高Z材料的仿真系统,采用最大似然算法,研究用于μ子探测的位置灵敏探测器漂移管的位置分辨率及系统成像时间对成像结果的影响。当漂移管的位置分辨率优于200μm、成像时间在1～2min内可对相对独立的高Z物质快速识别,本研究也为漂移管的设计加工提供了理论依据。

灰色关联聚类在宇宙射线μ子成像中的应用

该工作为宇宙线μ子探测裂变核材料研究中的一部分。宇宙射线μ子成像目标存在粒子数偏少的客观条件,符合灰色系统理论的"小样本"、"贫信息"的特点,首次探索应用灰色关联聚类分析提高宇宙射线μ子成像中对物质区分效率的方法。

宇宙射线μ子的神经网络材料快速识别算法

本文根据宇宙射线μ子穿过被探测物体时散射密度与材料原子序数的相关性,构建了包含两个卷积层、两个池化层和一个全连接层的卷积神经网络材料识别模型,最终测试样品在不同时间下的识别准确度。研究结果表明,对于10cm×10cm×10cm的铝、铁、钨三种材料,测量时间10分钟时整体识别准确度约91.9%。这种基于卷积神经网络的方法为μ子成像材料识别提供了一种新途径。

次级宇宙射线探测装置设计

为实时测量不同角度μ射线通量,构建了一款小型宇宙射线探测装置。该装置将闪烁体探测器、前端电子学电路、高压电源电路以及符合测量电路有机结合起来构建了一套完整的信号测量与数据获取系统。采用现场可编程门阵列进行两路探测器信号的符合逻辑设计,符合时间的调节精度为2.5 ns。利用该宇宙射线探测装置测量了兰州市区次级宇宙射线的天顶角分布,其结果很好地满足经验公式。

基于卷积神经网络的μ子散射成像材料识别方法研究

本文采用卷积神经网络的机器学习方法进行了μ子成像的材料识别,通过迭代训练数据获得最优模型并测试样品在不同测量时间下的识别准确度。在中国原子能科学研究院的μ子散射成像装置上开展了不同材料的测试实验,根据实验测量数据进行径迹重建并计算μ子的入射和散射角,构建基于卷积神经网络结构的材料识别模型进行特征提取,实现对材料的分类识别,并进一步引入残差和特征矩阵提高了材料的识别准确度。实验结果表明,对于10 cm×10 cm×10 cm的钨块,材料识别准确度在测量5 min时达到99.1%,在测量10 min时达到100.0%。这种基于卷积神经网络的方法为μ子散射成像材料识别提供了一种新途径。

μ子的速度测量

地球上的生物每时每刻都受到μ子照射.本文介绍了一个测量μ子平均速度的实验.基于两套闪烁体探测器,利用飞行时间方法,测得海平面附近μ子的平均速度为29.72(3)cm/ns.本实验具有较强的探索性、创新性和综合性,需要学生掌握高能宇宙射线、辐射探测和测量的基本知识,可以作为近代物理和前沿物理类实验课程的一个重要内容.

基于能损计算的快速μ子吸收成像模拟研究

μ子吸收成像技术使用天然存在的宇宙射线μ子作为辐射源,能够对大尺寸物体实现无损探测。在μ子吸收成像的应用研究中,进行成像的模拟分析是重要的一步。目前大部分的成像模拟通过蒙特卡罗方法模拟μ子在待测物体中的输运来实现,但使用蒙特卡罗方法进行模拟一般需要较长时间,不适用于一些需要快速得到模拟结果的场景。本文基于μ子在待测物体中的能损计算,实现了快速μ子吸收成像模拟,弥补了蒙特卡罗模拟用时过长的不足。具体地,本文根据待测物体的已知结构,通过能损与通量计算,获得μ子剩余通量的分布,进而实现成像。本文以胡夫金字塔为例,将构建的快速模拟过程与蒙特卡罗模拟进行比较,初步结果表明,使用本文的快速μ子吸收成像模拟获得的胡夫金字塔内部成像结果与蒙特卡罗模拟基本一致,快速模拟得到的通量值与蒙特卡罗模拟得到的通量值平均相差小于5%,快速模拟用时约为蒙特卡罗模拟的1/240。

特殊核材料主动探测技术研究进展

综述了特殊核材料主动探测技术的研究进展,介绍了核共振荧光技术、光致/中子致裂变探测技术、宇宙射线μ子成像技术的基本原理,及国内外研究进展和技术难点与挑战。