宇宙射線μ子探測高Z材料的仿真研究

龐洪超，劉森林，王紅艷，徐勇軍，楊宏偉，王列民

（中國原子能科學(xué)研究院 輻射安全研究部，北京 102413）

2003年美國洛斯阿拉莫斯實驗室首先報道可利用宇宙射線μ子對重核物質(zhì)輻射成像［1］，引起國內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注［2－5］。天然宇宙射線μ子能量高，穿透能力強，不會對環(huán)境和人員造成額外輻射，在探測重核物質(zhì)方面具有很大優(yōu)勢。本課題組也對μ子探測重核物質(zhì)進行了前期研究并取得一定成果［6－7］。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，采用Geant4建立宇宙射線μ子探測高Z材料的仿真系統(tǒng)，研究漂移管探測器位置分辨率及系統(tǒng)成像時間對成像效果的影響，同時為漂移管的設(shè)計加工提供理論依據(jù)。

1 仿真模型的建立

圖1為宇宙射線μ子成像檢測系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)圖，上下各兩組探測器，中間區(qū)域為有效探測區(qū)域。當(dāng)μ子穿過上兩組探測器時，能準(zhǔn)確確定μ子的入射位置坐標(biāo)，當(dāng)μ子穿過待測物并從下面兩組探測器射出時，通過同樣方法可確定μ子的出射位置坐標(biāo)。通過探測器記錄的數(shù)據(jù)可計算出μ子的位置和角度偏移信息，從而進一步確定探測區(qū)域是否含有高Z物質(zhì)。

圖1 Geant4構(gòu)建μ子探測系統(tǒng)仿真模型Fig.1 Model of muons detector system using Geant4simulation

探測器選擇位置靈敏探測器漂移管（DT），DT由外直徑30mm、壁厚0.6mm、長1 000mm的鋁管（陰極），端頭和直徑為50μm的鍍金鎢絲（陽極）組成，管內(nèi)充氣壓為300kPa的氬和二氧化碳（體積比為93∶7）的混合氣體。

為增加模擬真實性，編寫了宇宙射線μ子產(chǎn)生器，使μ子的角分布和能譜分布與真實海平面μ子一致［7－8］。

探測空間為1m×1m×1m的立方體，內(nèi)裝兩個物體，其中1個為直徑10cm的鐵球，另1個為直徑8cm的鈾球，其中鈾球的外面屏蔽一厚為1cm的鐵殼。上兩層探測器間距離與下兩層探測器間距離均為20cm。采用最大似然法［4－5］進行模擬計算。

2 漂移管位置分辨率對成像結(jié)果的影響

μ子產(chǎn)生器產(chǎn)生1min的入射粒子，最大似然算法迭代100次，探測器位置分辨率分別取0、200、300、400、500、1 000μm。成像顯示以像素的散射密度λ進行劃分，像素大小為10cm×10cm×10cm。當(dāng)5＞λ≥1時，表示為低Z物質(zhì)，用淺灰色顯示；15＞λ≥5，表示中Z物質(zhì)，用深灰色顯示；λ≥15，表示為高Z物質(zhì)，用黑色顯示（圖2）。由圖2可看出，隨探測器位置分辨率的增大，系統(tǒng)的成像效果逐漸變差。位置分辨率小于200μm時，在鈾球的位置出現(xiàn)黑色，鐵球的位置出現(xiàn)深灰色，并出現(xiàn)幾個淺灰色干擾點，成像效果理想。當(dāng)探測器的位置分辨率取400μm時，成像區(qū)域出現(xiàn)較大的深灰色干擾點，成像效果變差，當(dāng)探測器的位置分辨率為1mm時，雖然鈾球的位置還能出現(xiàn)黑色但深灰色干擾點較多，已無法區(qū)分物體?？煽闯?，探測器的位置分辨率優(yōu)于200μm時可得到理想的成像結(jié)果。

3 成像時間對成像結(jié)果的影響

選取探測器的位置分辨率為200μm，算法迭代次數(shù)取100，μ子的入射時間分別為30s、1min、2min，得到的成像結(jié)果示于圖3。由圖3可看出，在探測器的位置分辨率及算法迭代次數(shù)一定時，成像效果隨入射μ子數(shù)增加逐漸變好。當(dāng)系統(tǒng)探測時間為30s時，鈾球位置出現(xiàn)黑色，而鐵球位置未出現(xiàn)，其它像素出現(xiàn)干擾點，成像效果差；當(dāng)探測時間為1min時，鈾球和鐵球均出現(xiàn)，且出現(xiàn)幾個小散射密度點；當(dāng)時間為2min時，效果非常理想，出現(xiàn)了鈾、鐵散射點，且干擾散射點的散射密度均小于1?？梢姡到y(tǒng)成像時間在1～2min內(nèi)能得到理想的成像結(jié)果。

圖2 成像效果與探測器位置分辨率的關(guān)系Fig.2 Relationship between imaging and detector resolution

圖3 成像效果與系統(tǒng)探測時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between imaging results and detecting time

4 結(jié)論

1）利用宇宙射線μ子實現(xiàn)高Z材料的快速探測是可行的。在漂移管的位置分辨率為200μm左右、成像時間1～2min內(nèi)可得到理想的成像結(jié)果。

2）探測μ子的漂移管需具有200μm以內(nèi)的位置分辨率，高于此值，辨別物體就存在困難，即本文的研究也為探測器的設(shè)計加工提供了理論依據(jù)。

3）本文的研究是基于蒙特卡羅方法的模擬研究，且探測區(qū)域情況較為理想，要將此方法進行實際應(yīng)用，需做大量的實驗工作。

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