宇宙线缪子散射成像模拟与算法研究

本文验证了基于Micromegas探测器的宇宙线缪子散射成像系统进行快速核材料检测的可行性,并对实验室宇宙线缪子成像系统原型进行参数估算.基于Geant4程序开发了用于模拟宇宙线缪子物理过程、传输径迹及Micromegas探测器响应的模拟程序.在模拟数据的基础上,实现并改进了两种主要的宇宙线缪子散射成像算法.根据模拟和成像结果,1m×1m成像系统可在10min内检测到被重元素屏蔽的核材料.10cm×10cm成像系统的缪子事例触发率为0.16s^-1,要获得较为清晰的成像结果,要求探测器位置分辨率达到300μm,探测器增益为1000时实际测量事例至少需要20h.

缪子库伦散射成像技术中能量与靶几何结构关系的Geant4模拟研究

基于Moliere多重散射理论的缪子散射成像技术,可用于分析材料内部元素分布并确定原子序数。相对于高能量的宇宙射线缪子,加速器打靶产生的缪子束流能量偏低(约为45~450 MeV/c),Moliere多重散射理论的适用性有待探讨。本文利用Geant4软件模拟研究了中、低能量区(<800 MeV)缪子的库仑散射过程,分析了散射角的均方根分布,并通过散射成像算法对模拟结果进行了图像重建。结果表明,中、低能量缪子的散射与成像物体的几何结构密切相关,能量为400 MeV的缪子束流散射成像仅可用于厚度分别小于9.78 mm、56.9 mm、140.7 mm的W、Si、Na材料内部元素的分布信息。研究结果可为Moliere多重散射理论在该能区缪子散射成像技术的应用提供理论指导,推动缪子在核材料检测、文物鉴定、海关安检等领域小尺寸物品的成像分析与应用研究。

基于散射和次级诱发中子的缪子多模态成像

现有以散射为主的宇宙线缪子成像难以从高原子序数材料中有效区分特殊核材料,利用缪子在特殊核材料中产生的次级诱发中子标记入射缪子,可从高原子序数材料中辨别特殊核材料,但其成像时间长且成像质量较低.缪子多模态成像利用缪子穿透材料的散射信息以及被材料阻止时产生次级诱发中子的缪子信息,可有效解决单一成像方法的不足.基于GEANT4程序设置探测模型,以Cosmic-ray Shower Library为缪子源,开发了与诱发中子符合的缪子成像、缪子散射成像、缪子多模态成像模拟程序,并在模拟数据的基础上分别实现了成像算法,得到了不同模型的成像结果.模拟结果表明,基于散射和次级诱发中子的缪子多模态成像不仅成像快、质量高,而且能明显区分特殊核材料与其他高原子序数材料,具有探测特殊核材料的独特优势.