BESⅢ升级中硅像素径迹室位置校准的MC研究

硅像素径迹室是BESⅢ升级项目之一,离线软件校准是其离线数据处理系统的重要组成部分,研究过程采用蒙特卡罗方法,将残差法应用于漂移室升级项目中硅像素径迹室的几何位置校准,分别以ladder、芯片为最小探测单元进行研究,结果表明,该方法可有效应用于硅像素径迹室的位置校准。     

宇宙射线μ子探测高Z材料的仿真研究

利用Geant4建立宇宙射线μ子探测高Z材料的仿真系统,采用最大似然算法,研究用于μ子探测的位置灵敏探测器漂移管的位置分辨率及系统成像时间对成像结果的影响。当漂移管的位置分辨率优于200μm、成像时间在1～2min内可对相对独立的高Z物质快速识别,本研究也为漂移管的设计加工提供了理论依据。     

基于改进爬山法的带电粒子圆径迹重建

基于改进爬山法提出了一种带电粒子圆径迹重建算法,该算法可方便应用于时间投影室中带电粒子的径迹重建。算法首先通过空间映射将圆径迹寻迹问题转换为参数空间上的聚类问题,然后使用改进爬山法寻找参数聚类中心,该中心在参数空间中的位置即为圆径迹参数拟合值。在充分考虑探测器的探测效率、位置分辨率和噪声水平的基础上,使用蒙特卡罗方法产生模拟径迹,研究了该算法在不同情况下对模拟径迹参数的拟合精度。结果显示,该算法在不同噪声水平下均能获得到较高的径迹参数拟合精度,具有良好的鲁棒性和抗噪声干扰能力。此外,本文还介绍了该算法在多条径迹重建中的应用。     

BESIII硅像素探测器寻迹方法的初步研究

随着BESIII漂移室运行时间的增加,其老化问题日趋严重,各种升级替换方案也在研究过程中。论文对替换方案之一的硅像素探测器(SPT)的基本结构、探测原理和初步模拟工作进行了介绍。阐述了硅像素探测器的径迹重建算法的原理、算法的设计和开发。最后使用不同动量的单粒子径迹模拟事例对算法进行调试,并对匹配效率、重建性能和探测器物质量对算法的影响进行了检验和分析。     

2×2阵列H8500光电倍增管简化读出电路的设计

研发了基于两级电阻网络简化电路结合局域重心法定位的简化读出电子学电路,用于2×2阵列的H8500多阳极位置灵敏光电倍增管的前端位置信号读出与处理。实验结果显示:此设计方案能有效将256路读出信号简化至4路处理信号,还能较好分辨出1.2mm像素的NaI(Tl)阵列晶体,同时使探测器的成像视野达到探测器内在的灵敏范围。对各光电管单元边缘及拼接的交界区,需进行有效的光学补偿,才能较好弥补非灵敏区像素的探测性能。     

宇宙射线μ子成像重建算法研究

图像重建算法是成像技术中的重要组成部分。介绍了基于多次库仑散射的宇宙射线μ子成像基本原理,系统研究了现有μ子的成像算法,通过对模拟实验成像结果的对比,分析了各种算法的特点,总结了各种算法在成像精度和运算速度上的优点与不足,并在此基础上,对μ子成像算法未来的发展趋势进行了探讨。     

宇宙线μ用于反应堆燃料元件成像的尝试性模拟研究

建立了用于Monte-Carlo模拟的μ抽样模型。使用此模型,采用Geant4程序和Root软件,对核燃料元件的μ成像进行模拟研究。模拟成像结果显示,基于将多次库伦散射等效为单次散射的径迹重建方法,可实现核燃料元件的μ成像。     

固体径迹探测器探测裂变碎片的效率

借助金硅面垒型半导体探测器和裂变室对固体径迹探测器以2π立体角探测裂变碎片的效率进行了刻度。给出了天然白云母、聚碳酸酯(我国朝阳塑料厂产品和Makrofol K)、聚酯、石英、硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃对薄裂变源的探测效率和记录裂变碎片径迹的平均临界角。对探测效率进行了反散射修正,描述了用固体径迹探测器进行反散射修正的方法。讨论了由于固体径迹探测器临界角的存在对厚裂变源自吸收修正产生的影响,给出了固体径迹探测器探测厚裂变源效率的公式。     

基于康普顿成像系统的碳离子治疗剂量监测研究

为实现碳离子治疗的精准放疗,精确监测患者体内的三维剂量分布,本文设计一种双层康普顿成像系统和简单反投影算法,利用Geant4仿真软件优化探测系统的结构,评估探测系统的探测效率、成像性能,分析200 MeV/μ的碳离子束轰击有机玻璃（PMMA）靶的三维剂量分布。此外,还使用四对像素1.5 mm×1.5 mm×10.0 mm、12×12阵列型的硅酸钇镥（LYSO）晶体对直径约为3 mm的²²Na点源进行康普顿成像实验,并对影响三维剂量监测精度因素进行分析。结果表明,对于0.847 MeV的γ点源,重建图像在横截面上半高宽（FWHM）增加至2.38 mm、冠状面上扩展至7.02 mm。康普顿成像系统通过探测碳离子束轰击PMMA靶产生的4.439 MeV瞬发γ射线,重建的三维剂量分布与真实三维剂量分布偏差为9.3%。利用LYSO康普顿成像系统样机的²²Na点源成像实验,得到半高宽为4.05 mm的重建图像,验证了康普顿成像方法的实用性。     

缪子对小尺寸中低原子序数物质三维成像技术的模拟研究

缪子成像是一种利用天然本底辐射中极具穿透力的缪子射线通过散射或透射技术对高原子序数Z或隐藏物体进行无损成像的技术。当前的研究对象是大尺寸的高Z物质,而针对小尺寸的中低Z物质的成像技术在国内鲜见报道。本文提出了一种针对小尺寸中低Z物质的三维成像技术,利用Geant4软件模拟了缪致次级粒子的产生过程,模拟结果表明次级粒子主要为电子和γ光子,通过缪致次级粒子与入射缪子符合探测技术筛选入射缪子径迹,利用有限角度成像算法对待测物体进行了三维图像重建,结果表明,该技术适合于小尺寸的中低Z物质成像,尤其对小尺寸中Z物质的重建效果明显,重建图像可区分08 cm的凹槽。     

小单元多丝漂移室探测器系统研制

为精确测量CSR外靶终端靶前入射粒子的径迹,研制了多套小单元多丝漂移室探测器,该探测器灵敏面积为80 mm×80 mm,每套探测器包括x、x′、y、y′4个探测电极面,每个电极面引出16个阳极丝信号。前端电子学采用基于SFE16芯片的放大器,数据读出系统采用基于HPTDC芯片的数据采集卡。采用两套小单元多丝漂移室对400 MeV/u的¹⁶O束流位置进行了测试,探测器的工作气体为Ar(80%)+CO₂(20%),阳极丝电压为+900 V,场丝与阴极丝均接地,拟合得到的单层电极的位置分辨(拟合残差)为105.9μm,探测效率为99.3%,该指标可以满足现阶段CSR外靶终端大部分核物理实验对反应靶点的定位要求。     

BESⅢ次级顶点重建专用工具的开发

BESⅢ事例顶点重建专用工具采用Kalman滤波方法对物理事例顶点产生的径迹进行拟合,使得产生在束流管内的事例顶点的径迹参数和相关的误差矩阵得到准确的修正,从而使得次级顶点的重建结果更加正确,得到更加精确的物理结果。经过数据分析检验,该工具性能可靠。     

基于LaBr3(Ce)晶体耦合SiPM阵列的可变角分辨率伽玛相机的设计与研制

编码孔径成像技术由于探测效率高、信噪比高、角分辨率好、成像质量稳定可靠等优点而广泛应用于核安全、核设施的去污及退役的测量、核医学等领域。建立通过改变编码准直器和探测器之间距离进而实现可变角分辨的伽玛成像系统。整个成像系统主要由编码准直器、位置灵敏探测(position sensitive detector, PSD)、数据采集卡以及图像重建系统组成。该成像系统的编码准直器采用修正均匀冗余阵列(modified uniformly redundant array, MURA)编码方式,为了保障对较高能量射线的探测能力,编码准直器的材料采用含钨量90%的钨铜合金,PSD通过LaBr₃(Ce)晶体耦合SiPM阵列组成,重建算法采用的是直接互卷积算法,快速高效。测试结果显示,整个位置灵敏探测器的平均能量分辨率为4.96%(662 keV);该辐射成像系统可以准确地对Am-241、Cs-137、Co-60进行清晰成像,并通过改变编码准直器和探测器之间的距离成功分辨出两个Cs-137点源的位置。     

SOI像素探测器的COB组装工艺初步研究

从子板PCB设计、芯片粘接、优化引线键合参数方面对SOI像素探测器的COB组装工艺做了初步研究。基板焊盘表面处理选用了电镀化学镍钯金的工艺,并对焊盘排布方式做了改进;芯片粘接选用了导电环氧树脂胶,探讨了水平定位误差和垂直定位误差对键合的影响及处理方法;通过反复试验和不断优化得出一套引线键合优化参数。对子板模块性能测试表明:其噪声和漏电流水平均保持在合理范围。COB组装技术可为后续的硅像素探测器芯片拼接提供技术支撑。     

编码孔径辐射成像定位技术

随着核物理技术的广泛应用及其辐射防护对放射源的成像需求在不断增加。编码孔径成像定位系统作为一种高精度的放射源成像及定位装置,可以准确定位放射源的位置并重建放射源的大致形状,本文探究编码孔径成像定位中的多种重建算法对具有连续能谱的放射源位置及形状重建效果对比,从而确定不同重建算法的优缺点及其适用的场景。利用Geant4软件对编码孔径成像定位系统进行模拟,得到相关数据再使用δ解码算法、精细采样平衡解码算法、卷积神经网络算法、最大似然最大期望值法（MLEM）进行编程实现并重建放射源的位置。结果表明：4种重建算法都可以清晰地定位到放射源的位置;δ解码算法和精细采样平衡解码算法重建图像有伪影;卷积神经网络算法对于线源、面源重建效果较差,可以通过扩展训练集解决;MLEM算法的对比度-噪声比（CNR）值较高,重建效果较好,但是对线源和面源重建会丢失部分细节信息。     

大面积MRPC宇宙线缪子成像原型装置的研制

大面积位置灵敏探测器阵列是宇宙线缪子散射成像系统的关键部分。研发了适用于研制的73.6 cm×73.6 cm大面积二维读出位置灵敏MRPC探测器上的双精细复用读出电子学,构建了一个包括上下2组、每组各3块大面积MRPC的宇宙线缪子散射成像原型实验装置。该装置通过上下两块塑料闪烁体进行触发,实验数据经过处理后能重建缪子径迹,采用PoCA图像重建算法,获得了散射成像实验图像,结果与蒙特卡罗理论模拟结果相一致,为进一步研究宇宙线缪子成像物理机制、成像算法等提供了良好的实验平台。     

MURA编码板γ相机探测器模拟研究

用Geant4软件对γ相机探测器的成像原理进行模拟,γ相机探测器主要由准直器和探测单元构成,模拟得到放射源的响应矩阵,通过精细采样算法和δ解码算法进行图像重建。分别模拟了不同形态放射源在不同位置、不同距离、不同角度的成像情况,研究了编码板的偏移和尺寸变化对成像的影响。     

新型望远镜带电粒子探测系统结构设计与理论模拟

为了在兰州重离子加速器国家实验室(HIRFL)的放射性束流线(RIBLL1)上开展基于完全运动学测量的远离β稳定线奇异核反应机制的研究,需研制一套由多个独立的望远镜系统(探测模块)组成的带电粒子探测阵列。每个探测模块包含1块16×16的厚65μm的双面硅条探测器、1块4×4的厚1 000μm的像素硅探测器和由雪崩光二极管(APD)读出的4×4CsI(Tl)阵列探测器。该探测阵列可实现大的能量测量范围、高能量分辨率和位置分辨,同时具备大立体角覆盖和粒子关联测量的能力。通过Geant4探测器模拟软件对单个探测模块进行模拟,结合对探测模块各部分的实验测试,给出了探测模块的设计方案和整体性能指标。     

μ子成像检测技术在福岛第一核电厂应用现状与发展趋势

μ子成像检测技术是对大型构筑物进行内部调查的有效探测手段之一。通过对福岛第一核电厂反应堆堆芯μ子成像技术应用实例,说明了在核能领域μ子成像检测技术应用的现状。综述了μ子成像检测系统的探测装置、信号采集与处理系统、数据传输系统的主要性能特点,并对其发展趋势进行了展望。     

基于卷积神经网络的μ子散射成像材料识别方法研究

本文采用卷积神经网络的机器学习方法进行了μ子成像的材料识别，通过迭代训练数据获得最优模型并测试样品在不同测量时间下的识别准确度。在中国原子能科学研究院的μ子散射成像装置上开展了不同材料的测试实验，根据实验测量数据进行径迹重建并计算μ子的入射和散射角，构建基于卷积神经网络结构的材料识别模型进行特征提取，实现对材料的分类识别，并进一步引入残差和特征矩阵提高了材料的识别准确度。实验结果表明，对于10 cm×10 cm×10 cm的钨块，材料识别准确度在测量5 min时达到99.1%,在测量10 min时达到100.0%。这种基于卷积神经网络的方法为μ子散射成像材料识别提供了一种新途径。