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        宇宙射線μ子探測高Z材料的仿真研究

        2011-09-18 05:54:32龐洪超劉森林王紅艷徐勇軍楊宏偉王列民
        原子能科學(xué)技術(shù) 2011年7期
        關(guān)鍵詞:深灰色鐵球分辨率

        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(shí)驗(yàn)室首先報(bào)道可利用宇宙射線μ子對(duì)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(qiáng),不會(huì)對(duì)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(duì)μ子探測重核物質(zhì)進(jìn)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(shí)間對(duì)成像效果的影響,同時(shí)為漂移管的設(shè)計(jì)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?yàn)橛行綔y區(qū)域。當(dāng)μ子穿過上兩組探測器時(shí),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(shí),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(jì)算出μ子的位置和角度偏移信息,從而進(jìn)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(shí)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(shí)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(gè)物體,其中1個(gè)為直徑10cm的鐵球,另1個(gè)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(jìn)行模擬計(jì)算。

        2 漂移管位置分辨率對(duì)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(jìn)行劃分,像素大小為10cm×10cm×10cm。當(dāng)5>λ≥1時(shí),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(shí),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(gè)淺灰色干擾點(diǎn),成像效果理想。當(dāng)探測器的位置分辨率取400μm時(shí),成像區(qū)域出現(xiàn)較大的深灰色干擾點(diǎn),成像效果變差,當(dāng)探測器的位置分辨率為1mm時(shí),雖然鈾球的位置還能出現(xiàn)黑色但深灰色干擾點(diǎn)較多,已無法區(qū)分物體??煽闯觯綔y器的位置分辨率優(yōu)于200μm時(shí)可得到理想的成像結(jié)果。

        3 成像時(shí)間對(duì)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(shí)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(shí),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(shí)間為30s時(shí),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(diǎn),成像效果差;當(dāng)探測時(shí)間為1min時(shí),鈾球和鐵球均出現(xiàn),且出現(xiàn)幾個(gè)小散射密度點(diǎn);當(dāng)時(shí)間為2min時(shí),效果非常理想,出現(xiàn)了鈾、鐵散射點(diǎn),且干擾散射點(diǎn)的散射密度均小于1??梢姡到y(tǒng)成像時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(jìn)行實(shí)際應(yīng)用,需做大量的實(shí)驗(yàn)工作。

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