宇宙线μ子散射成像及闪烁探测器性能的模拟研究

作     者：胡天齐 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李澄

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 070202[理学-粒子物理与原子核物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：宇宙线μ子成像 Geant4模拟 塑料闪烁探测器 成像系统角分辨 PoCA算法 

摘      要：核能安全和核材料检测是核技术研发重要课题。传统的核材料检测手段包括X射线成像、伽马射线成像,这些射线对高原子序数物质穿透能力较低,在实际应用中存在诸多困难。宇宙线缪子不参与强相互作用,其穿透性极强,而且是天然宇宙线源,可用于无源条件下的高原子序数物质检测和成像,这一研究将为包括放射性核材料在内的海关检查与安全监控提供新的解决方案,在地质勘探,石油工业,核废料监测等具有潜在的应用前景。宇宙线缪子散射成像原理是洛斯阿拉莫斯国家实验室于2003年提出的,该原理是基于缪子散射角与所穿过物体原子序数相关的特点（原子序数越高,散射角变化越明显）,通过测量散射角获取成像物体的原子序数和密度分布,通过一定算法重建物体图像。探测技术主要涉及缪子径迹探测器,通过测量缪子出、入射径迹变化,计算获得散射角。由于不同材料的散射角不同,探测器的角分辨率是表征鉴别成像系统能力的关键参数。近些年来,世界各研究机构先后开展了缪子成像技术研究,研制完成不同类型的实验原型,并开始应用于海关检测、核反应堆检测等。所采用的径迹探测器均为气体探测器（MRPC、GEM、Micro Megas等）,在户外复杂环境中应用仍存在诸多困难,大多数原型机只在实验室内运行,其商业使用和工业推广仍处于空白。本论文基于闪烁探测技术和缪子散射成像原理,利用塑料闪烁体设计一套可应用于不同环境的缪子成像探测器原型,设计实验对探测器性能进行模拟和实验测试,并提出相应的定位算法。研究数据对于未来成像系统的搭建和实际应用等具有参考意义。论文基于闪烁探测技术和缪子散射成像原理,依据缪子散射成像对探测器性能要求,通过对不同构型的探测器单元性能（位置分辨、光产额）模拟,给出探测器单元的设计参数,并与实验数据进行比较。利用Geant4软件,配合已选型的径迹探测器单元,建立了有关模拟程序。论文重点研究了三角型的闪烁体单元性能,提出了有关定位算法,以及系统误差修正算法,讨论修正算法中各参数的不确定性对定位的影响,并模拟分析实验组装的不确定性所带来的影响,给出实验上预期的位置分辨测量结果。在探测器单元设计中,选择新型硅像素探测器（SiPM）作为光敏器件,有效提高探测器灵敏度,其径迹测量的位置分辨可达1 mm（RMS）。模拟与实验测量结果比较,位置分辨相差0.05 mm（RMS）（模拟未涉及读出电子学噪声贡献）,证明了模拟方法的可行性。在此基础上,利用Geant4软件,配合已选型的三角型径迹探测器单元,建立了成像系统有关模拟程序,对成像系统角分辨率和接受度随系统几何参数的变化情况进行分析。由成像目标所要求的角分辨性能（角分辨≤10mrad）,确定成像系统系统的性能参数和几何参数。利用PoCA算法对物体成像进行研究。研究结果证明可有效分辨铁（包括铁）以上的重原子序数的材料,达到预期研究目标,为进一步研究提供重要的参考。