宇宙射線μ子成像檢測技術分析

李婷婷

摘? 要：文章闡述了宇宙射線μ子成像的工作原理、測量系統以及算法的應用，為宇宙射線μ子成像檢測技術領域的研究起到一定的借鑒作用。分析認為傳統的粒子成像技術存在一定的局限性，μ子成像技術能夠突破局限擁有其他成像技術沒有的諸多優點，如穿透性強、成本低、無射線安全風險等，具有廣闊的應用前景和極高的應用價值。

關鍵詞：宇宙射線;μ子;成像

中圖分類號：TL99 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0147-03

Abstract： This paper describes the working principle， measurement system and algorithm application of cosmic ray muon imaging， which can be used for reference in the field of cosmic ray muon imaging detection technology. The analysis shows that the traditional particle imaging technology has certain limitations. The muon imaging technology can break through the limitations and has many advantages that other imaging technology does not have， such as strong penetrability， low cost， no ray safety risk， etc. it has a broad application prospect and high application value.

Keywords： cosmic ray; muon; imaging

在當今反恐態勢和核材料走私愈發嚴峻的情況下，核材料的檢測技術也越來越重要越來越受到人們的關注。目前核材料的檢測普遍采用高靈敏度的伽瑪探測器和中子探測器相結合的方式，但在受檢物質被γ屏蔽材料或中子吸收材料的嚴密防護等情況下，采用傳統的γ射線探測器或中子探測器難以發揮其作用。核材料通常會隱藏在屏蔽材料中進行運輸，因此要求檢測核材料的粒子具有極高的能量而又不與屏蔽材料發生顯著的相互作用，也不會使被檢物質有所損傷。

近年來，μ子成像檢測技術逐步進入人們的視野。μ子是一種高能帶電粒子，穿透性極強。相對其他射線來說，宇宙射線μ子具有能量高、通量低、能譜分布跨度大、入射角度各異等特點[1]。μ子天然存在于地球表面，且通常能量很高，可以穿過大體積的吸收體而只損失很少的能量。大量研究證明μ子與高原子序數（高Z）的原子相互作用明顯，適用于識別較重的燃料核素。宇宙射線是一種被動輻射，因而μ子成像技術的利用使我們能夠在沒有人工輻射的情況下對致密物體進行射線照相，可以安全、方便地用于貿易貨運安檢、核材料跨境運輸管制、反應堆燃料棒監測、火山爆發預測、金字塔勘探等方面。在裂變核材料探測方面，宇宙射線成像檢測技術具有穿透能力強、高Z材料敏感、放射源天然存在等優點。

1 成像原理

宇宙射線μ子與物質相互作用有三個可能的物理過程：（1）電離。μ子通過原子的電子云而導致電離，導致入射μ子的連續能量損失，并可能導致μ子吸收。（2）多重散射。μ子與介質材料帶電原子核的相互作用導致μ子的多重散射和角擴散。（3）μ子誘發裂變。在高Z材料中，例如鈾，μ子駐留在原子核內，μ子的激發能通過非輻射內轉換直接轉移到原子核上，μ子誘發裂變是一種通過探測中子來鑒別特殊核材料的有效成像技術。大量研究發現：μ子在介質材料中的多重庫倫散射（MCS）對材料的原子序數（Z）敏感，更適合于區分相似密度的不同材料。因而在實際應用中多是采用MCS原理進行μ子成像。

當μ子穿越物體時會與物體的原子核發生多次小角度的庫倫散射。依據μ子在不同密度物質中的偏轉角度的差異，在物體的兩側各布置一組徑跡探測器，來獲得μ子在物體中發生作用的路徑和偏轉角度，通過計算得到待測物質密度，結合成像算法，進而形成平面圖像。成像原理如圖1所示，待測區域上面的探測器用于記錄入射μ子徑跡，下面的探測器用于記錄出射μ子徑跡，通過μ子入射與出射徑跡上的幾個點坐標來計算μ子穿過被檢物的入射角、出射角與散射角。

圖1中，a表示能量損失過程：當μ子穿過物質時將會與介質原子核外電子發生碰撞，μ子將能量傳遞給電子而損失部分能量;b表示完全吸收過程：如果μ子通過電離損失將全部能量轉移給介質原子的核外電子，那么它將耗盡在介質中，該過程被稱為完全吸收;c表示多次庫倫散射：對于絕大多數的μ子來說，與物質發生庫倫散射只會偏轉一個非常小的角度并穿透物質。當μ子通過物質后將會產生一個累計散射角，這個累計散射角θ的分布是近似以0為期望的高斯分布。由經驗公式可得到：μ子散射角分布寬度大小與介質材料的輻射長度的平方根成反比，輻射長度大約與介質材料的原子序數Z的平方成反比。推導得出μ子散射角分布寬度大小近似地與介質材料的原子序數Z成正比。因此，可以通過μ子穿過物質后散射角分布寬度大小得到探測器靈敏區中高Z物質分布。

2 成像系統

近年來國內國外已經研發出許多基于不同探測器的μ子成像系統。μ子成像需要利用探測器對μ子照射物體的入射和出射徑跡進行準確定位，調查發現國內外μ子徑跡探測器多采用氣體探測器，因為氣體探測器可以覆蓋更大的探測區域同時能夠提供優良的探測效率和空間分辨率，比如漂移管、漂移室、阻性板室（RPC）、氣體電子倍增室（GEM）等[2]。μ子散射成像系統的關鍵是構建大面積位置靈敏探測器陣列。

2003年，美國Los Alamos 實驗室提出了μ子散射成像概念[3]，并且于2005年基于漂移室建立了一個小規模的μ子成像實驗系統。2013年Los Alamos 實驗室再次利用μ子散射成像技術來探測高Z材料，并通過實驗證明μ子能夠在短時間內對商用卡車大小的物體進行成像，可以快速區分在低Z材料場中的高Z材料。佛羅里達科技大學研究人員采用氣體電子倍增器（GEM）探測器建立了μ子成像系統[4-5]。英國AWE（Atomic Weapons Establishment）研究機構采用RPC作為位置分辨探測器建立了μ子成像系統[6]。清華大學也開展了宇宙射線成像技術研究，采用 MRPC（多氣隙電阻板室）探測器建立了μ子成像系統[7]。

3 成像算法

μ子成像探測技術中通常有2種比較常用的算法：PoCA徑跡重建算法和MLSD最大似然迭代重建算法。基于貝葉斯法則的MAP最大后驗算法和OS-EM加速算法是在前面兩種算法存在缺陷的情況下，進行的改進或優化。清華大學研究人員在此基礎上又進行了一些改進，提出了MLS-OSEM和MLSD-OSEM重建算法。

3.1 PoCA徑跡重建算法

徑跡重建算法是美國洛桑阿拉莫斯國家實驗室（LANL）近年來提出的利用μ子在高Z物質中的多次庫倫散射對物質結構進行的成像算法[8]。μ子與物質發生多次庫倫散射，運動方向隨散射不斷發生小角度偏轉，使出射徑跡偏離原來入射方向。PoCA徑跡重建算法假定μ子與物質的多次庫倫散射當作一次散射事件，μ子的入射徑跡和出射徑跡認為是兩條直線，兩條直線在空間上是一對異面直線，異面直線共垂線的中點認定為散射點。

3.2 MLSD最大似然迭代重建算法

2006年，LANL發展了基于最大似然迭代重建的MLSD算法[9]，通過對MCNP模擬數據的重建分析，MLSD算法能獲得比PoCA算法更高的圖像分辨率和更準確的混合未知材料的鑒別，能夠用于解決μ子成像路徑上存在不同物質的問題。

3.3 MAP最大后驗算法與OS-EM加速算法

MAP算法原理是在EM-ML算法成像目標函數的基礎上多加一個先驗函數的約束，這樣就可以將先驗知識帶入到重建圖像中，故MAP算法能夠更加準確地進行圖像重建。該算法的優點在于利用了射線的先驗知識，從而保證多次迭代下仍能抑制噪聲，且促進重建圖像的平滑。OS-EM加速算法[10]即有序子集最大期望值方法，這是一種具有較高成像質量和較短運算時間的圖像重建算法。OS-EM加速算法是在傳統的PoCA徑跡重建算法和ML-EM迭代重建算法的基礎上進行的有效改進。

4 結束語

傳統的粒子成像技術已經被證明可以用于檢測和成像未知物質與物體內部結構，并且在工業和醫療等行業有了廣泛的應用，但仍具有一定的局限性。宇宙射線μ子成像檢測技術能夠突破這些局限，并且因為破除了輻射隱患而更易被人們所接受，因此其具有廣闊的應用前景。以下幾個方面將成為μ子成像檢測技術領域的主要研究方向。

4.1 提高探測效率

μ子穿透力強，對高Z材料敏感，適用于核材料監測，但是μ子通量低、徑跡不確定性大等劣勢又給？滋子成像技術帶來了一個許多難題。探測系統中的幾組大面積位置靈敏探測器在橫向或縱向上的相對位置偏移，以及可能發生的探測器小角度偏轉等情況均會產生探測誤差。另外，到達地表的μ子的能量分布較寬，不同能量的μ子與物質作用發生的角度偏轉可能有所區別，因而μ子能量的辨別和探測也很重要。如何區分低能μ子在薄介質中的散射角和高能μ子在厚介質中的散射角，這個問題還有待解決。

4.2 優化成像算法

成像質量和成像速度的提高是μ子成像檢測技術中的核心問題。在實踐中，現有的幾種成像算法依然不夠成熟，效果也不是很理想，仍然要以優化圖像重建算法為突破口，進一步提高成像質量和成像速度。目前μ子成像技術主要是利用μ子穿過不同介質材料發生偏轉角度的區別，來確定是否存在高Z材料或辨別混合物質的密度。但是μ子穿過物質散射角發生改變只是其中一個信息，還可以探討利用其與物質作用的其他信息，如光電效應、吸收深度等，進一步優化成像算法。

4.3 搭建和改進成像系統

系統參數的設計與成像質量的高低有著密切的聯系，探測器組數和位置、待測區域面積和形狀、讀出電子學參數設計都會給重建圖像質量帶來很大的影響。因此，設計合理的高位置分辨率的μ子探測系統仍待進一步探索，測量裝置的調試及校正也需要大量的實驗驗證。

參考文獻：

[1]Guardincerri E， Bacon J， Borozdin K， etal. Detecting special nuclear material using muon-induced neutron emission[J]. Nuclear Inst & Methods in Physics Research A， 2015（789）：109-113.

[2]Perry J. Advanced applications of cosmic-ray muon radiography[D]. Dissertations & Theses-Gradworks， 2016.

[3]Borozdin K N， Hogan G E， Morris C， etal. Surveillance： Radiographic imaging with cosmic-ray muons[J]. Nature， 2003，422（6929）：277.

[4]Gnanvo K， Benson B， Bittner W， etal. Detection and imaging of high-Z materials with a muon tomography station using GEM detectors[C]// Nuclear Science Symposium Conference Record. IEEE， 2011：552-559.

[5]Hohlmann M， Gnanvo K， Grasso L， etal. Design and construction of a first prototype Muon Tomography system with GEM detectors for the detection of nuclear contraband[C]// Nuclear Science Symposium Conference Record. IEEE， 2010：971-975.

[6]Baesso P， Cussans D， Glaysher P， etal. Muon scattering tomography with resistive plate chambers[C]// Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference. IEEE， 2013：59-61.

[7]程建平，王學武，曾志，等.大面積MRPC宇宙線μ子成像原型裝置的研制[J].核電子學與探測技術，2014（5）：613-617.

[8]Priedhorsky W C， Borozdin K N， Hogan G E， etal. Detection of high-Z objects using multiple scattering of cosmic ray muons[J]. Review of Scientific Instruments，2003，74（10）：4294-4297.

[9]王烈銘，王紅艷，劉志英，等.宇宙射線μ子探測裂變核材料的成像算法[J].核電子學與探測技術，2011，31（8）：874-877.

[10]吳朝霞，劉力，柴新禹，等.基于不同子集的OS-EM快速迭代重建算法研究[J].儀器儀表學報，2002，23（4）：408-410.