宇宙射线μ子成像检测技术分析

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　　摘  要：文章阐述了宇宙射线μ子成像的工作原理、测量系统以及算法的应用，为宇宙射线μ子成像检测技术领域的研究起到一定的借鉴作用。分析认为传统的粒子成像技术存在一定的局限性，μ子成像技术能够突破局限拥有其他成像技术没有的诸多优点，如穿透性强、成本低、无射线安全风险等，具有广阔的应用前景和极高的应用价值。
　　关键词：宇宙射线;μ子;成像
　　中图分类号：TL99 文献标志码：A         文章编号：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
　　在当今反恐态势和核材料走私愈发严峻的情况下，核材料的检测技术也越来越重要越来越受到人们的关注。目前核材料的检测普遍采用高灵敏度的伽玛探测器和中子探测器相结合的方式，但在受检物质被γ屏蔽材料或中子吸收材料的严密防护等情况下，采用传统的γ射线探测器或中子探测器难以发挥其作用。核材料通常会隐藏在屏蔽材料中进行运输，因此要求检测核材料的粒子具有极高的能量而又不与屏蔽材料发生显著的相互作用，也不会使被检物质有所损伤。
　　近年来，μ子成像检测技术逐步进入人们的视野。μ子是一种高能带电粒子，穿透性极强。相对其他射线来说，宇宙射线μ子具有能量高、通量低、能谱分布跨度大、入射角度各异等特点[1]。μ子天然存在于地球表面，且通常能量很高，可以穿过大体积的吸收体而只损失很少的能量。大量研究证明μ子与高原子序数（高Z）的原子相互作用明显，适用于识别较重的燃料核素。宇宙射线是一种被动辐射，因而μ子成像技术的利用使我们能够在没有人工辐射的情况下对致密物体进行射线照相，可以安全、方便地用于贸易货运安检、核材料跨境运输管制、反应堆燃料棒监测、火山爆发预测、金字塔勘探等方面。在裂变核材料探测方面，宇宙射线成像检测技术具有穿透能力强、高Z材料敏感、放射源天然存在等优点。
　　1 成像原理
　　宇宙射线μ子与物质相互作用有三个可能的物理过程：（1）电离。μ子通过原子的电子云而导致电离，导致入射μ子的连续能量损失，并可能导致μ子吸收。（2）多重散射。μ子与介质材料带电原子核的相互作用导致μ子的多重散射和角扩散。（3）μ子诱发裂变。在高Z材料中，例如铀，μ子驻留在原子核内，μ子的激发能通过非辐射内转换直接转移到原子核上，μ子诱发裂变是一种通过探测中子来鉴别特殊核材料的有效成像技术。大量研究发现：μ子在介质材料中的多重库伦散射（MCS）对材料的原子序数（Z）敏感，更适合于区分相似密度的不同材料。因而在实际应用中多是采用MCS原理进行μ子成像。
　　当μ子穿越物体时会与物体的原子核发生多次小角度的库伦散射。依据μ子在不同密度物质中的偏转角度的差异，在物体的两侧各布置一组径迹探测器，来获得μ子在物体中发生作用的路径和偏转角度，通过计算得到待测物质密度，结合成像算法，进而形成平面图像。成像原理如图1所示，待测区域上面的探测器用于记录入射μ子径迹，下面的探测器用于记录出射μ子径迹，通过μ子入射与出射径迹上的几个点坐标来计算μ子穿过被检物的入射角、出射角与散射角。
　　图1中，a表示能量损失过程：当μ子穿过物质时将会与介质原子核外电子发生碰撞，μ子将能量传递给电子而损失部分能量;b表示完全吸收过程：如果μ子通过电离损失将全部能量转移给介质原子的核外电子，那么它将耗尽在介质中，该过程被称为完全吸收;c表示多次库伦散射：对于绝大多数的μ子来说，与物质发生库伦散射只会偏转一个非常小的角度并穿透物质。当μ子通过物质后将会产生一个累计散射角，这个累计散射角θ的分布是近似以0为期望的高斯分布。由经验公式可得到：μ子散射角分布宽度大小与介质材料的辐射长度的平方根成反比，辐射长度大约与介质材料的原子序数Z的平方成反比。推导得出μ子散射角分布宽度大小近似地与介质材料的原子序数Z成正比。因此，可以通过μ子穿过物质后散射角分布宽度大小得到探测器灵敏区中高Z物质分布。
　　2 成像系統
　　近年来国内国外已经研发出许多基于不同探测器的μ子成像系统。μ子成像需要利用探测器对μ子照射物体的入射和出射径迹进行准确定位，调查发现国内外μ子径迹探测器多采用气体探测器，因为气体探测器可以覆盖更大的探测区域同时能够提供优良的探测效率和空间分辨率，比如漂移管、漂移室、阻性板室（RPC）、气体电子倍增室（GEM）等[2]。μ子散射成像系统的关键是构建大面积位置灵敏探测器阵列。 　　2003年，美国Los Alamos 实验室提出了μ子散射成像概念[3]，并且于2005年基于漂移室建立了一个小规模的μ子成像实验系统。2013年Los Alamos 实验室再次利用μ子散射成像技术来探测高Z材料，并通过实验证明μ子能够在短时间内对商用卡车大小的物体进行成像，可以快速区分在低Z材料场中的高Z材料。佛罗里达科技大学研究人员采用气体电子倍增器（GEM）探测器建立了μ子成像系统[4-5]。英国AWE（Atomic Weapons Establishment）研究机构采用RPC作为位置分辨探测器建立了μ子成像系统[6]。清华大学也开展了宇宙射线成像技术研究，采用 MRPC（多气隙电阻板室）探测器建立了μ子成像系统[7]。
　　3 成像算法
　　μ子成像探测技术中通常有2种比较常用的算法：PoCA径迹重建算法和MLSD最大似然迭代重建算法。基于贝叶斯法则的MAP最大后验算法和OS-EM加速算法是在前面两种算法存在缺陷的情况下，进行的改进或优化。清华大学研究人员在此基础上又进行了一些改进，提出了MLS-OSEM和MLSD-OSEM重建算法。
　　3.1 PoCA径迹重建算法
　　径迹重建算法是美国洛桑阿拉莫斯国家实验室（LANL）近年来提出的利用μ子在高Z物质中的多次库伦散射对物质结构进行的成像算法[8]。μ子与物质发生多次库伦散射，运动方向随散射不断发生小角度偏转，使出射径迹偏离原来入射方向。PoCA径迹重建算法假定μ子与物质的多次库伦散射当作一次散射事件，μ子的入射径迹和出射径迹认为是两条直线，两条直线在空间上是一对异面直线，异面直线共垂线的中点认定为散射点。
　　3.2 MLSD最大似然迭代重建算法
　　2006年，LANL发展了基于最大似然迭代重建的MLSD算法[9]，通过对MCNP模拟数据的重建分析，MLSD算法能获得比PoCA算法更高的图像分辨率和更准确的混合未知材料的鉴别，能够用于解决μ子成像路径上存在不同物质的问题。
　　3.3 MAP最大后验算法与OS-EM加速算法
　　MAP算法原理是在EM-ML算法成像目标函数的基础上多加一个先验函数的约束，这样就可以将先验知识带入到重建图像中，故MAP算法能夠更加准确地进行图像重建。该算法的优点在于利用了射线的先验知识，从而保证多次迭代下仍能抑制噪声，且促进重建图像的平滑。OS-EM加速算法[10]即有序子集最大期望值方法，这是一种具有较高成像质量和较短运算时间的图像重建算法。OS-EM加速算法是在传统的PoCA径迹重建算法和ML-EM迭代重建算法的基础上进行的有效改进。
　　4 结束语
　　传统的粒子成像技术已经被证明可以用于检测和成像未知物质与物体内部结构，并且在工业和医疗等行业有了广泛的应用，但仍具有一定的局限性。宇宙射线μ子成像检测技术能够突破这些局限，并且因为破除了辐射隐患而更易被人们所接受，因此其具有广阔的应用前景。以下几个方面将成为μ子成像检测技术领域的主要研究方向。
　　4.1 提高探测效率
　　μ子穿透力强，对高Z材料敏感，适用于核材料监测，但是μ子通量低、径迹不确定性大等劣势又给？滋子成像技术带来了一个许多难题。探测系统中的几组大面积位置灵敏探测器在横向或纵向上的相对位置偏移，以及可能发生的探测器小角度偏转等情况均会产生探测误差。另外，到达地表的μ子的能量分布较宽，不同能量的μ子与物质作用发生的角度偏转可能有所区别，因而μ子能量的辨别和探测也很重要。如何区分低能μ子在薄介质中的散射角和高能μ子在厚介质中的散射角，这个问题还有待解决。
　　4.2 优化成像算法
　　成像质量和成像速度的提高是μ子成像检测技术中的核心问题。在实践中，现有的几种成像算法依然不够成熟，效果也不是很理想，仍然要以优化图像重建算法为突破口，进一步提高成像质量和成像速度。目前μ子成像技术主要是利用μ子穿过不同介质材料发生偏转角度的区别，来确定是否存在高Z材料或辨别混合物质的密度。但是μ子穿过物质散射角发生改变只是其中一个信息，还可以探讨利用其与物质作用的其他信息，如光电效应、吸收深度等，进一步优化成像算法。
　　4.3 搭建和改进成像系统
　　系统参数的设计与成像质量的高低有着密切的联系，探测器组数和位置、待测区域面积和形状、读出电子学参数设计都会给重建图像质量带来很大的影响。因此，设计合理的高位置分辨率的μ子探测系统仍待进一步探索，测量装置的调试及校正也需要大量的实验验证。
　　参考文献：
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　　[10]吴朝霞，刘力，柴新禹，等.基于不同子集的OS-EM快速迭代重建算法研究[J].仪器仪表学报，2002，23（4）：408-410.
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