基于宇宙射线缪子的土壤含水率监测

为了丰富土壤含水率的测量手段,拓展宇宙射线缪子技术在农业工程领域的应用,该研究提出了利用宇宙射线缪子监测土壤含水率的方法,即通过放置在土壤中的缪子探测器测得的宇宙射线缪子计数来反推出土壤含水率。利用蒙特卡罗程序FLUKA对不同含水率的土壤建模并进行数值模拟,得出土壤含水率的探测分辨率,进一步得到最佳的缪子探测器放置深度。结果表明,探测半径与探测器放置深度相关,将探测器放置在地表下方80 cm深度处时,探测半径为6.2 m,此时当探测时长为2 h时,对土壤含水率的探测分辨率可以达到0.1 cm^(3)/cm^(3);当探测时长达到8 h时,探测分辨率可以达到0.05 cm^(3)/cm^(3)。相较于60、70、80、100、110、120 cm等不同深度,探测器放置在地表下方90 cm处时,在相同探测时长条件下,土壤含水率的探测分辨精度最高,达到0.038 cm^(3)/cm^(3)。验证试验结果表明,缪子计数值的变化可以反映出待测物质质量厚度的较小变化。相较于传统的点测量方法和宇宙射线中子法,该方法的探测范围适中(探测半径为6~8 m),且测量结果不易受土壤密度之外的因素影响,可以作为其他监测技术的重要补充,具有广阔的应用前景。

秦始皇陵地宫宇宙射线缪子吸收成像模拟研究

宇宙射线缪子吸收成像技术是一种无损成像技术,适用于对大尺度的成像目标进行无损探测.考古学中现有的无损探测方法均存在一定的局限性,若将缪子吸收成像技术应用于考古领域,可以作为对传统无损探测方法的重要补充.本文使用蒙特卡罗GEANT4程序,对秦始皇陵地宫缪子吸收成像进行研究,基于已有的秦始皇陵考古数据构建秦始皇陵地宫模型,根据Reyna提出的海平面缪子能谱公式抽样产生缪子源的信息,模拟了宇宙射线缪子在秦始皇陵地宫中的输运过程,并利用图像重建算法实现墓室大小和位置的重构.模拟结果表明,利用单视角获得的缪子通量投影数据可以给出地宫中墓室边界的二维角坐标,利用两个视角的投影数据可以重建墓室大小和三维位置,重建得到的墓室边长和墓室中心位置相对于理论值的差异在7%左右.

宇宙射线缪子核材料快速检测算法研究

根据宇宙射线缪子库伦散射角进行核材料快速检测具有重要意义。本文利用Geant4获取的U、Pb、Fe的缪子库伦散射角数据集,分析缪子散射探测数据的分布特征。使用支持向量机测试了缪子散射探测数据的概率分布函数参数和峭度对不同材料分类的性能,提出基于分布特征的宇宙射线缪子核材料快速检测算法。结果表明,该算法仅用数量为10 000的缪子散射探测数据,能实现对相同厚度的U、Pb、Fe的分类,分类准确率达到98.9%以上。

宇宙射线缪子成像技术在大遗址勘察中的可行性研究

大遗址是我国文化遗产的重要组成部分,然而常规的物探手段存在一些勘察困难。宇宙射线缪子成像技术作为一种新型的物探手段在对大尺度目标物勘察方面具有独特优势。本研究就宇宙射线缪子成像技术中的成像源、成像理论、正演与反演算法和可行性分析流程等方面进行较为详细的介绍,并通过三维正、反演算法,开展了以莫高窟中假设隐藏暗室为勘察目标的缪子技术可行性研究。结果表明,缪子成像技术能够重构出16窟、A窟侧面0.5 m×0.5 m×0.5 m的洞窟和A窟背面1.0 m×1.0 m×1.0 m的洞窟;探测器相对于目标洞窟的位置会影响成像结果,将探测器放置于目标洞窟的异侧时,成像效果比放置于同侧更好。本研究为宇宙射线缪子成像技术在大遗址特别是石窟与土遗址科技考古应用方面奠定了较好的研究基础。

面向缪子成像的计算神经动力学算法

基于缪子成像中需考虑被测物体密度的双端约束以及噪声对探测数据的影响,提出一种面向缪子成像的计算神经动力学算法,可保证结果处于约束范围内.理论分析结果表明,在无噪声或恒定噪声的情况下,该算法全局收敛于缪子成像的理论解,并能有效抑制随机噪声.仿真结果表明,该算法在求解缪子成像问题时具有有效性和优越性.

基于缪子离散能量的材料鉴别实验研究

宇宙射线缪子具有穿透力强、对重核材料敏感的特点,近年来被广泛应用于核材料检查等领域.缪子与不同原子序数材料发生的多重库仑散射效果不同,利用这点可以对被测物体进行成像以及材料鉴别,而在该过程中引入缪子的能量信息可以提高材料鉴别的准确度.本文基于原子能院研制的缪子成像装置开展了5种样品的材料鉴别实验,使用离散能量拟合近似连续能量的缪子散射角分布,进而测量出各材料的辐射长度并以此作为特征量进行材料鉴别.实验结果表明,在约1400个有效缪子事例下,Al-Fe和Fe-Pb可以在95%的置信水平下有效区分,该方法相比于不引入缪子能量信息对Pb-W鉴别的准确率提高了18.5%.

基于FPGA与GPS的时间测量电路设计与实现

为宇宙射线缪子(μ子)测量实验设计了基于FPGA的高精度时间-数字转换器(TDC),结合TDC测量值与GPS提供的标准时间(UTC)精确记录了粒子事件的时间信息。TDC采用粗计数+细时间测量相结合的方式,用计数器实现动态范围大于1 s的粗时间测量;使用FPGA加法进位延时链构建时间内插完成了细时间测量,并借助Wave-Union与bin-by-bin方法提高时间分辨并改善非线性。实验室测试双边沿TDC的时间分辨为16.68 ps,时间测量精度(RMS)好于45 ps。测量结果表明,该TDC满足脉冲前沿时间甄别要求。

缪子成像及元素成分分析

缪子为轻子的一种,主要来源于宇宙射线和加速器。宇宙射线缪子能量高、穿透性强,是一种天然的非破坏性基本粒子“探针”,可以对物体进行成像和无损检测。加速器缪子强度高、能量可调,可以对物体快速成像。加速器产生的负缪粒子进入材料会形成缪子原子,级联跃迁产生的X射线可以对材料进行元素分析。文章介绍了宇宙射线缪子成像、加速器缪子成像和缪子原子X射线元素分析三种技术的基本原理、成像手段或分析方法,以及其主要应用、发展现状与趋势,特别介绍了中国散裂中子源在加速器缪子成像和缪子原子X射线应用研究的规划。